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        拉-拉循環(huán)載荷下443鐵素體不銹鋼產(chǎn)熱規(guī)律及疲勞性能預(yù)測(cè)

        2015-06-22 14:39:41閆志峰王文先王志斌張紅霞張心保
        材料工程 2015年2期
        關(guān)鍵詞:鐵素體不銹鋼次數(shù)

        張 杰,閆志峰,王文先,王志斌,王 凱,張紅霞,張心保

        (1 太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024; 2 山西太鋼不銹鋼股份有限公司,太原 030003)

        拉-拉循環(huán)載荷下443鐵素體不銹鋼產(chǎn)熱規(guī)律及疲勞性能預(yù)測(cè)

        張 杰1,閆志峰1,王文先1,王志斌2,王 凱1,張紅霞1,張心保2

        (1 太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024; 2 山西太鋼不銹鋼股份有限公司,太原 030003)

        采用紅外熱像法研究了443鐵素體不銹鋼在疲勞試驗(yàn)過程中表面溫度場(chǎng)的變化規(guī)律,提出了采用ΔT-Nf曲線預(yù)測(cè)疲勞壽命的方法。結(jié)果表明:溫升極限值ΔT=3.18℃,即當(dāng)ΔT>3.18℃時(shí),試樣發(fā)生疲勞斷裂,與實(shí)測(cè)溫升值3.49℃相比,誤差為8.89%。利用ΔT-Nf曲線預(yù)測(cè)443鐵素體不銹鋼在5×106循環(huán)次數(shù)下的疲勞強(qiáng)度為277.97MPa,與傳統(tǒng)方法測(cè)得結(jié)果284.45MPa相對(duì)誤差為2.28%。

        443鐵素體不銹鋼;溫度場(chǎng);疲勞強(qiáng)度;紅外熱像法

        443鐵素體不銹鋼是近年來研發(fā)的一種超純高鉻經(jīng)濟(jì)性鐵素體不銹鋼,由于其性能較好,作為304不銹鋼的替代品,被廣泛應(yīng)用在大型容器、箱體等承受動(dòng)載的結(jié)構(gòu)中[1]。因此,研究其循環(huán)載荷下的疲勞性能具有重要意義。

        傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法耗時(shí)長(zhǎng)、成本高等方面的不足,為準(zhǔn)確獲取構(gòu)件的疲勞性能帶來一定的困難?;谀芰哭D(zhuǎn)化理論的紅外熱像法作為一種實(shí)時(shí)、無損及非接觸的測(cè)試技術(shù),將其應(yīng)用于疲勞研究中,具有快速、準(zhǔn)確和成本低等特點(diǎn),是一種新型的材料研究方法[2-4]。根據(jù)該方法,理論上最少只需1個(gè)試樣,在較短的時(shí)間內(nèi)便可準(zhǔn)確測(cè)定材料的疲勞曲線[5-7]。因此,利用紅外熱像法研究材料疲勞性能受到越來越多的重視。

        樊俊鈴等[8]借助鎖相熱像技術(shù),測(cè)定了Q235鋼的疲勞極限,并用此方法快速測(cè)定了金屬疲勞極限和S-N曲線。Crupi等[9]采用紅外熱像法預(yù)測(cè)了AH36鋼焊接接頭的疲勞極限和S-N曲線,與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法相比取得很好的一致性。王青志等[10]使用紅外熱像法預(yù)測(cè)了45#鋼的疲勞極限,并對(duì)45#鋼疲勞加載過程中的產(chǎn)熱機(jī)理進(jìn)行了分析。薛紅前等[11]對(duì)高強(qiáng)鋼在高頻載荷下的超高周疲勞及熱耗散進(jìn)行了研究,研究發(fā)現(xiàn):微裂紋處不可逆的局部塑性變形導(dǎo)致裂紋萌生區(qū)溫度急劇升高,疲勞試樣內(nèi)部溫度場(chǎng)的變化反映了材料的疲勞損傷過程。

        由于晶體結(jié)構(gòu)的差異,不同金屬材料在疲勞載荷作用下的塑性變形能力不同,因此其溫升機(jī)制也不同。443鐵素體不銹鋼為體心立方晶體結(jié)構(gòu),堆垛層錯(cuò)能較高,易發(fā)生錯(cuò)交滑移,其損傷機(jī)制與其他金屬相比有自身特點(diǎn)。因此研究其疲勞加載過程中的損傷和能量耗散特征對(duì)于揭示443鐵素體不銹鋼的疲勞損傷機(jī)理及其安全使用具有重要意義。

        本研究采用紅外熱像法對(duì)443鐵素體不銹鋼疲勞加載過程進(jìn)行分析,根據(jù)疲勞過程中試件表面的溫度變化規(guī)律探討443鐵素體不銹鋼疲勞過程中的產(chǎn)熱機(jī)理,提出快速預(yù)測(cè)443鐵素體不銹鋼疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命的新方法,并與傳統(tǒng)疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,確定這種方法的準(zhǔn)確性。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料

        實(shí)驗(yàn)所選材料為4mm厚的443鐵素體不銹鋼,其化學(xué)成分如表1所示,其力學(xué)性能如表2所示。

        1.2 疲勞試樣

        疲勞試樣按照GB/T 3075—2008《金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向力控制方法》經(jīng)機(jī)械加工成型,并用砂紙將邊緣打磨光滑,試樣形狀和尺寸如圖1所示。

        圖1 疲勞試樣尺寸Fig.1 Fatigue sample dimension

        1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)方法

        實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為PLG-200D高頻拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī),循環(huán)特征系數(shù)為0.1,諧振頻率為100Hz左右。實(shí)驗(yàn)載荷以抗拉強(qiáng)度的60%進(jìn)行加載, 逐級(jí)降低5%,如果諧振次數(shù)達(dá)到5×106試樣沒有發(fā)生斷裂,則停止實(shí)驗(yàn)。達(dá)到5×106循環(huán)次數(shù)的5組數(shù)據(jù),采取應(yīng)力逐級(jí)增加的方式進(jìn)行加載。

        采用InfraTec VarioCAM hr紅外熱像儀記錄疲勞試驗(yàn)過程中試樣表面的溫度變化。在30℃時(shí),紅外熱像儀精度為0.08℃。實(shí)驗(yàn)在25℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行,錄制頻率為50Hz。用IRBISR view軟件對(duì)熱像圖進(jìn)行分析處理。實(shí)驗(yàn)時(shí)試樣表面需要涂一層發(fā)射率大于0.95的黑色亞光漆。

        表1 443鐵素體不銹鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of 443 ferritic stainless steel(mass fraction/%)

        表2 443鐵素體不銹鋼力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of 443 ferritic stainless steel

        2 疲勞過程中溫度演化及分析

        圖2為σmax=320MPa時(shí)試樣表面溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的熱像圖,在循環(huán)載荷作用下,由于疲勞試件結(jié)構(gòu)的變化產(chǎn)生應(yīng)力集中,因此表面溫度分布不均勻,且中部溫度較高。圖3為σmax=320MPa時(shí),疲勞試件表面溫度最高點(diǎn)隨時(shí)間的變化曲線,點(diǎn)A,B,C,D,E,F(xiàn)和G所對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)演化如圖2所示。

        圖2 疲勞過程中試樣表面溫度場(chǎng)的演化Fig.2 Evolution process of specimen surface temperature field during fatigue testing

        圖3 疲勞試驗(yàn)中試件溫度變化曲線Fig.3 Temperature change curve during fatigue testing

        由圖3可知,443鐵素體不銹鋼在疲勞加載過程中的溫度變化可以分為4個(gè)特征明顯的階段:階段Ⅰ為初始溫升階段,此時(shí)試件局部發(fā)生塑性變形釋放大量的熱量,由于在實(shí)驗(yàn)初始時(shí)試件和環(huán)境的溫差較小,對(duì)流過程中熱量損失也比較少,試件表面產(chǎn)熱速率大于試件和環(huán)境的熱交換率。因此,試件表面溫度快速升高;階段Ⅱ?yàn)榉€(wěn)定溫升階段,此時(shí)試件表面產(chǎn)熱速率與試件和環(huán)境的熱量交換速率達(dá)到平衡,溫度變化達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),溫度在小范圍內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng)。這是因?yàn)樵?43鐵素體不銹鋼中,初始位錯(cuò)密度較低,隨著塑性變形的進(jìn)行,位錯(cuò)大量增殖,位錯(cuò)密度快速增加,引起顯微區(qū)域的加工硬化,但隨著應(yīng)變量的增加,高位錯(cuò)密度的區(qū)域必然處于不穩(wěn)定狀態(tài),難以繼續(xù)增加其位錯(cuò)密度,因此,在高位錯(cuò)密度區(qū)中就會(huì)逐漸形成小塊低位錯(cuò)密度區(qū),這又會(huì)引起顯微區(qū)域的加工軟化,隨著加載的進(jìn)行,塑性變形的發(fā)展使這個(gè)新形成的低位錯(cuò)密度區(qū)會(huì)再次出現(xiàn)位錯(cuò)密度增加的過程,這兩種作用相反的因素在循環(huán)加載過程中表現(xiàn)為疲勞強(qiáng)化和疲勞軟化[12]。材料的硬化和軟化導(dǎo)致溫度出現(xiàn)小范圍的波動(dòng),當(dāng)疲勞硬化占主導(dǎo)時(shí),材料宏觀上表現(xiàn)出硬化現(xiàn)象,塑性變形能力降低,溫度隨之降低。而當(dāng)疲勞軟化占主導(dǎo)時(shí),材料宏觀上變現(xiàn)出軟化現(xiàn)象,塑性變形能力增加,溫度隨之升高;階段Ⅲ為溫升快速增加階段,在這一階段,試件萌生宏觀裂紋并且快速擴(kuò)展,裂紋尖端釋放大量熱量,溫度快速上升,溫度達(dá)到最高點(diǎn)時(shí),疲勞試驗(yàn)停止。階段Ⅳ為溫度下降階段,實(shí)驗(yàn)停止后,由于試件與環(huán)境的熱交換,溫度迅速降低。

        圖4為不同加載應(yīng)力作用下試件表面最高溫度的變化趨勢(shì),隨著加載應(yīng)力的增大,材料產(chǎn)生的塑性變形速率也將增大,導(dǎo)致產(chǎn)熱量快速增加。當(dāng)加載應(yīng)力高于290MPa時(shí),階段Ⅰ的溫升梯度明顯增加。當(dāng)加載應(yīng)力低于290MPa時(shí),試件表面溫升較小,非彈性效應(yīng)(如黏性效應(yīng))熱耗散水平較低[10]。

        圖4 不同加載應(yīng)力下的試件表面溫度變化曲線Fig.4 Temperature change curves of the specimen surface in different stresses

        根據(jù)熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律及材料的本構(gòu)方程,可得出材料在疲勞過程中的熱耦合方程[13]:

        (1)

        式中:ρ代表材料質(zhì)量密度;C代表材料比熱;σ代表柯西應(yīng)力張量;K代表熱傳導(dǎo)張量;ψ為亥姆霍茲自由能函數(shù)。方程左邊項(xiàng)表示試件表面的溫度變化,右邊項(xiàng)表示影響溫度變化的各種熱源。d為固有耗散源;Sthe為熱彈性源;Sic為內(nèi)耦合源;re為外部熱源。

        疲勞加載過程中的溫升值ΔT主要由熱彈性源引起的溫度變化ΔTthe和固有耗散源所引起的溫度變化ΔTd兩個(gè)部分組成[14,15]。熱彈性源是由彈性應(yīng)變能引起的,由于彈性變形完全可逆,內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形可迅速恢復(fù),因此,彈性應(yīng)變能對(duì)疲勞損傷幾乎沒有影響。固有耗散源是由塑性應(yīng)變能引起的,由于其變形不可逆,是疲勞損傷的主導(dǎo)因素,可以通過疲勞加載過程中的能量耗散來表征疲勞損傷[16]。塑性應(yīng)變能引起的能量耗散大部分轉(zhuǎn)化為熱能,這部分熱能在材料中產(chǎn)生溫度場(chǎng),引起試樣溫度的變化。材料的塑性變形主要是通過滑移的方式進(jìn)行的,而滑移是位錯(cuò)沿滑移面移動(dòng)的結(jié)果,因此晶粒內(nèi)部位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)將直接影響熱耗散的程度。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)較為容易并且滑移系較多時(shí),熱耗散能較大;位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)較難并且滑移系較少時(shí),熱耗散能降低。因此,位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)決定疲勞損傷的程度。

        443鐵素體不銹鋼是體心立方晶體結(jié)構(gòu),具有較高的層錯(cuò)能,易發(fā)生錯(cuò)交滑移。443鐵素體不銹鋼在循環(huán)拉伸載荷作用下,位錯(cuò)從鐵素體晶界增值向晶粒內(nèi)部滑移而構(gòu)成滑移帶,螺位錯(cuò)交滑移形成位錯(cuò)割階,循環(huán)應(yīng)力加載使晶體中產(chǎn)生大量的空位而形成位錯(cuò)圈[12,17]。當(dāng)循環(huán)加載應(yīng)力小于疲勞極限時(shí),鐵素體中的主要位錯(cuò)結(jié)構(gòu)是位錯(cuò)纏結(jié),循環(huán)應(yīng)力不足以使位錯(cuò)結(jié)構(gòu)發(fā)生進(jìn)一步演化,即沒有位錯(cuò)胞的產(chǎn)生。當(dāng)循環(huán)加載應(yīng)力高于疲勞極限時(shí),在經(jīng)過一定的循環(huán)周數(shù)之后合金中便形成位錯(cuò)纏結(jié),隨著循環(huán)應(yīng)力幅和加載周數(shù)的增加,位錯(cuò)密度增加,隨后出現(xiàn)位錯(cuò)胞,且位錯(cuò)胞數(shù)目逐漸增多,尺寸細(xì)化[18]。由于位錯(cuò)胞壁是高密度位錯(cuò)區(qū)域,在外加載荷作用下容易萌生微觀裂紋,這些裂紋的擴(kuò)展、合并形成宏觀裂紋,導(dǎo)致材料最終失效。

        綜上所述,材料在疲勞過程中由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起的溫度變化可反映材料的疲勞損傷程度,因此,利用紅外熱像法可對(duì)443鐵素體不銹鋼的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

        3.1 傳統(tǒng)疲勞試驗(yàn)法擬合S-N曲線

        S-N曲線關(guān)系式采用回歸曲線法得到,工程上常用有指數(shù)型的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式:

        (2)

        式中:C和m為材料常數(shù);σmax為最大加載應(yīng)力;Nf為試件斷裂時(shí)的循環(huán)次數(shù)。

        443鐵素體不銹鋼疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)法得到的疲勞壽命擬合S-N曲線如圖5所示。

        表3 443鐵素體不銹鋼疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Fatigue test results of 443 stainless steel

        圖5 443鐵素體不銹鋼S -N曲線Fig.5 S -N curve of 443 ferritic stainless steel

        傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)法擬合的S-N曲線方程為:

        lgσmax=2.99-0.08lgNf

        (3)

        由擬合方程可得到443鐵素體不銹鋼在5×106循環(huán)次數(shù)下疲勞強(qiáng)度為284.45MPa。

        3.2 基于紅外熱像法的疲勞強(qiáng)度

        利用表3中的平均溫升值繪制應(yīng)力-溫升圖,采用雙線法[19]獲取材料的疲勞強(qiáng)度,以平均溫升值的突變作為界限,分別將突變前后的平均溫升值進(jìn)行線性擬合,兩條直線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)即為材料在5×106循環(huán)次數(shù)下的疲勞強(qiáng)度,如圖6所示。

        圖6 雙線法預(yù)測(cè)疲勞強(qiáng)度Fig.6 Fatigue strength determined by double line method

        在圖6中,當(dāng)加載應(yīng)力高于5×106循環(huán)次數(shù)下的疲勞強(qiáng)度時(shí),擬合方程為:

        ΔT=-258.52+0.85σmax

        (4)

        當(dāng)加載應(yīng)力低于5×106循環(huán)次數(shù)下的疲勞強(qiáng)度時(shí),擬合方程為:

        ΔT=-15.41+0.07σmax

        (5)

        兩直線交點(diǎn)A即為443鐵素體不銹鋼在5×106循環(huán)次數(shù)下的疲勞強(qiáng)度311.68MPa,與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)法擬合S-N曲線所得到的結(jié)果相對(duì)誤差為8.74%。

        3.3 基于紅外熱像法擬合ΔT-Nf曲線

        在熱力學(xué)第一定律的基礎(chǔ)上,可得出平衡溫升值和最大加載應(yīng)力之間的關(guān)系式[20]:

        (6)

        式中:指數(shù)n是材料常數(shù);ΔT為平衡溫升值。結(jié)合公式(2)和(6),可得到ΔT與Nf之間的關(guān)系:

        (7)

        式中,c,d均為常數(shù)。將等式兩邊取對(duì)數(shù),則得到:

        lgΔT=-clgNf+e

        (8)

        根據(jù)表3中溫升穩(wěn)定階段平均溫升值擬合的ΔT-Nf曲線如圖7所示。

        圖7 443鐵素體不銹鋼ΔT-Nf曲線Fig.7 ΔT-Nf curve of 443 ferritic stainless steel

        (9)

        當(dāng)疲勞循環(huán)次數(shù)為5×106時(shí),由式(9)可知引起試樣疲勞斷裂的溫度突變點(diǎn)ΔT為3.18℃,即試樣在承受循環(huán)載荷時(shí),當(dāng)穩(wěn)定階段Ⅱ的溫度升值ΔT超過3.18℃時(shí),試樣會(huì)發(fā)生疲勞斷裂,當(dāng)ΔT低于3.18℃時(shí),試樣不會(huì)斷裂。在疲勞試驗(yàn)過程中,試樣經(jīng)過5×106次循環(huán)時(shí)實(shí)測(cè)最高溫升值為3.49℃,誤差為8.89%。

        3.4 基于紅外熱像法擬合S-N曲線

        由式(9)可得出不同溫升值下的疲勞壽命見表4。用ΔT-Nf曲線法得到的疲勞壽命擬合S-N曲線方程為:

        lgσmax=-0.08lgNf+2.98

        (10)

        由公式(10)可知,當(dāng)疲勞循環(huán)次數(shù)為5×106時(shí),得到的疲勞強(qiáng)度為277.97MPa。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)法擬合S-N曲線所得結(jié)果284.45MPa相比,誤差為2.28%。分別用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和ΔT-Nf曲線法得到的疲勞壽命繪制S-N曲線如圖8所示,結(jié)果具有很好的一致性。

        表4 傳統(tǒng)法和ΔT-Nf曲線法疲勞壽命對(duì)比Table 4 Comparison of fatigue life determined by traditional method and ΔT-Nfcurve method

        圖8 傳統(tǒng)法和ΔT-Nf曲線法S -N曲線對(duì)比Fig.8 Comparison of S -N curves determined by traditional method and ΔT-Nf curve method

        表5為兩種方法所得S-N曲線的線性相關(guān)性對(duì)比結(jié)果,ΔT-Nf曲線法擬合直線的線性相關(guān)系數(shù)要大于傳統(tǒng)法。

        表5 S -N曲線的線性相關(guān)性Table 5 The linear correlation of S -N curves

        在實(shí)際的工程應(yīng)用中,只需得到階段Ⅱ的穩(wěn)定溫升值即可根據(jù)公式(8)計(jì)算得到疲勞壽命,并預(yù)測(cè)鐵素體不銹鋼的疲勞強(qiáng)度,相比于傳統(tǒng)疲勞測(cè)試方法,具有快速、簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

        4 結(jié)論

        (1)當(dāng)疲勞載荷高于5×106循環(huán)次數(shù)下的疲勞強(qiáng)度,443鐵素體不銹鋼的溫度曲線分為4個(gè)階段:階段Ⅰ-初始溫升階段,階段Ⅱ-溫度穩(wěn)定階段,階段Ⅲ-溫度迅速上升階段,階段Ⅳ-溫度下降階段。

        (2)擬合ΔT-Nf曲線,根據(jù)溫度穩(wěn)定階段的平均溫升值快速預(yù)測(cè)443鐵素體不銹鋼的疲勞壽命。循環(huán)次數(shù)達(dá)到5×106時(shí),443鐵素體不銹鋼的疲勞斷裂極限溫度為3.18℃,與實(shí)測(cè)值3.49℃相對(duì)誤差為8.89%。

        (3)利用ΔT-Nf曲線法預(yù)測(cè)的443鐵素體不銹鋼在5×106循環(huán)次數(shù)下的疲勞強(qiáng)度為277.97MPa,與傳統(tǒng)法測(cè)得的結(jié)果284.45MPa相對(duì)誤差為2.28%。

        (4)根據(jù)熱像法和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)法得到的疲勞壽命分別繪制S-N曲線,結(jié)果具有很好的一致性。

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        Heat Generation Rule and Fatigue Performance Prediction of 443 Ferritic Stainless Steel Under Tension-tension Cyclic Loading

        ZHANG Jie1,YAN Zhi-feng1,WANG Wen-xian1,WANG Zhi-bin2, WANG Kai1,ZHANG Hong-xia1,ZHANG Xin-bao2

        (1 College of Material Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2 Shanxi Taigang Stainless Steel Co.,Ltd.,Taiyuan 030003,China)

        The surface temperature field of 443 ferritic stainless steel was studied using infrared thermography during fatigue testing.ΔT-Nfcurve method was put forward to predict the fatigue life. The results show that the ultimate temperature increment is ΔT=3.18℃,that is, when ΔTis more than 3.18℃,fatigue fracture occurs on the specimen, compared with the actually measured temperature increment of 3.49℃, the error is 8.89%. The percentage difference between the experimental result 284.45MPa and the predicted result 277.97MPa is 2.28% when fatigue cycles is up to 5×106.

        443 ferritic stainless steel;temperature field;fatigue strength;infrared thermography

        10.11868/j.issn.1001-4381.2015.02.013

        TG113.25

        A

        1001-4381(2015)02-0079-06

        國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175364);山西省研究生優(yōu)秀創(chuàng)新項(xiàng)目(20123031)

        2014-01-14;

        2014-05-25

        王文先(1963-),男,教授,主要從事材料連接及界面行為研究,聯(lián)系地址:山西省太原市迎澤西大街79號(hào),太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院502室(030024),E-mail:wangwenxian@tyut.edu.cn

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