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至德鋼業2520不銹鋼低度疲勞性能結果及分析

來源:至德鋼業 日期:2019-11-23 17:20:14 人氣:58

  2520不銹鋼室溫及650℃的低周疲勞有效試驗壽命及相關性能列于表,表中還包含了與另外幾種核電常用結構材料的對比。可以看出,2520不銹鋼室溫的低周疲勞壽命較高(在幾種材料中最高),但高溫時下降較多,只有室溫時的15%左右,下降趨勢大于其他幾種材料,尤其是718合金。總體而言,2520不銹鋼具有中等的抗低周疲勞性能,僅次于347和718,優于316Ti不銹鋼和800H。由表可知,650℃和室溫相比,除了低周疲勞壽命降低外,材料的屈服強度、彈性模量均有下降,其中,2520不銹鋼的彈性模量下降幅度均為20%左右,與其他幾種材料相當;而屈服強度下降了約40%,再次與718形成較鮮明的對比,718合金屈服強度的下降幅度僅為13%,這與其合金元素具有良好的熱強性和第二相粒子在高溫下具有二次硬化、沉淀強化能力有關。由疲勞壽命和屈服強度隨溫度的變化關系可知,高溫、室溫條件下的低周疲勞壽命比與高溫、室溫屈服強度比呈現正向一致的關系。因為,應變值與屈服強度和彈性模量有關,因此,在高溫條件下,當2520不銹鋼的屈服強度下降時,若下降速率高于彈性模量的下降速率,根據應力-應變關系,當控制模式為應變方式時,2520不銹鋼的塑性變形量在一個低周疲勞周次內會顯著增大,其疲勞壽命與室溫條件相比,表現為下降快。


 在空氣環境中進行低周疲勞試驗時,在高溫條件下,2520不銹鋼會發生明顯的氧化作用。已有研究顯示,空氣中的氧擴散至疲勞裂紋尖端所需的時間約為量級,而氧與新鮮金屬發生化學反應的時間比氧的擴散時間要長,約為0.015秒,這就導致,在高溫空氣環境中進行低周疲勞試驗時,2520不銹鋼試樣疲勞裂紋尖端的氧含量始終處于飽和狀態,多余的氧還可再擴散至基體內部,導致基體金屬原子的結合變得弱化,增大材料的脆化傾向,加速了裂紋的擴展和生長。在發生低周疲勞的同時,高溫也會使2520不銹鋼產生蠕變變形,高溫為原子的加劇擴散提供了外加的能量,當材料內部存在缺陷時,例如孔洞、空隙等,原子擴散變得容易,并且隨著低周疲勞的進行,材料內部還會產生位錯,在應力作用下,位錯的滑移和攀移與點缺陷相互作用,促進微孔的聚集,形成大的空洞等,孔洞、空隙周圍的原子隨時間變化再發生重排,導致孔洞不斷聚集,削弱了材料,最終形成宏觀裂紋,導致材料發生斷裂。與室溫條件相比,高溫促進了材料的加速氧化、原子的加速擴散,在應力作用下,內部缺陷和位錯相互作用,可明顯降低310S不銹鋼的低周疲勞性能。


  2520不銹鋼室溫、650℃疲勞試驗的穩態遲滯回線面積列于表3-7中,穩態遲滯回線圖見圖(RT表示室溫,HT表示高溫)。可以看出,2520不銹鋼材料彈性變形量變化不大,在兩種溫度下都基本維持在0.12%-0.15%之間,且表征材料彈性、塑性變形量比例的滯后回線面積變化不大,表明2520不銹鋼疲勞壽命高低與彈性、塑性變形比例無必然聯系。上圖顯示了2520不銹鋼試樣低周疲勞試驗的循環周次與峰值應力的關系。由圖可知,室溫和高溫條件下,2520不銹鋼試樣低周疲勞試驗的加載和變載是穩定的,因其正負峰值應力的幅值表現為比較接近;當然,室溫與650℃的峰值應力存在一定的差別。310S不銹鋼試樣的狀態在不同溫度下表現得略有差異,室溫時,先略微循環硬化,再進入循環飽和狀態;650℃時,先循環硬化,再進入循環飽和狀態。與其他幾種材料的疲勞壽命進行對比可知,疲勞壽命與循環狀態無明顯關聯。外加應變幅以及材料本身的狀態,決定了低周疲勞試驗時循環周次與應力峰值的關系。合金的屈服強度較低時,當外加應變幅高于屈服強度后,低周疲勞變形過程中將先出現材料的循環硬化現象。循環硬化的微觀機理類似于拉伸中的形變強化效應,即位錯大量的增殖、運動導致相互纏結和塞積,只是外力條件為交變應力作用。循環飽和是由于位錯增殖能力在一定循環周次后下降,而大量異號位錯相互作用和運動,產生湮滅現象逐漸占據上風,緩解了位錯塞積和纏結;同時,在高溫下位錯易發生攀移,參與變形組織的動態回復再結晶過程,再加上高溫下析出相長大或重溶入基體,釘扎位錯能力顯著下降;當位錯密度較為穩定時,便發生循環飽和現象。在后續試驗過程中,外加應力峰值呈現為下降現象,但這不是循環軟化,因為,疲勞裂紋已經萌生和擴展后,試樣的承載能力會下降,表現為外加應力峰值下降。


   上圖顯示了低周疲勞試驗后2520不銹鋼試樣的典型斷口形貌。即疲勞斷口包括三部分:裂紋源區、裂紋擴展區和瞬間斷裂區。疲勞裂紋一般起源于樣品表面或者內部缺陷處,若樣品表面有切削刀痕,將在局部區域易引起應力集中,使該區域應力超過材料的強度,萌生裂紋;內部缺陷則是材料在鍛造,熱處理等過程中產生的。浙江至德鋼業有限公司2520不銹鋼的低周疲勞裂紋起源于試驗表面,疲勞裂紋源呈一個或多個,室溫試驗后試樣的裂紋源容易觀察,而高溫試驗后,斷口表面因受到比較嚴重的氧化,試樣的疲勞裂紋源不易觀察。

  

   低度疲勞裂紋的起源或者萌生階段較短,與高度疲勞試驗中的不同,該階段擴展速率較低,壽命較少,約占低周疲勞總壽命的10%。在裂紋萌生階段,塑性變形總量還較小,裂紋尖端的應力集中程度較低。隨著試驗進行,當循環一定周次后,塑性變形總量不斷增加,裂紋尖端的應力集中程度逐漸增大,裂紋的生長變快,擴展速率提高,在微觀形貌方面對應了比較明顯的疲勞條帶;疲勞條帶的寬度(間距)與應力、溫度有關,一般而言,不同類型材料的疲勞條帶寬度有較大差別,同種合金中,隨溫度升高,疲勞間距會稍微變寬。疲勞條帶寬度越大,表明循環一周次時,裂紋的擴展量較大,即裂紋擴展速率較快,說明材料抵抗裂紋擴展能力越弱。2520不銹鋼在650℃低周疲勞試驗后,試樣斷口的疲勞條帶間距可達到3.0μm,屬于中等水平的條帶寬度。因為裂紋擴展階段的壽命占低周疲勞壽命的比例最大,因此疲勞間距越小,在相同應變幅條件下,材料的疲勞壽命越高。


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本文標簽:2520不銹鋼 

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