吳啟舟，李江華，緱之飛，金 丹

(沈陽化工大學能源與動力工程學院， 沈陽 110142)

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022Cr17Ni12Mo2不銹鋼缺口試樣的疲勞壽命預測

吳啟舟，李江華，緱之飛，金 丹

(沈陽化工大學能源與動力工程學院， 沈陽 110142)

摘要：對022Cr17Ni12Mo2不銹鋼光滑和缺口試樣進行了拉伸試驗及應力控制的低周疲勞試驗，并采用Neuber律、Peterson方法和基于試驗結果計算的疲勞缺口系數(shù)進行了疲勞壽命預測。結果表明：022Cr17Ni12Mo2不銹鋼具有明顯的缺口效應和良好的塑性，缺口效應在低應力水平下更為明顯；在不同應力水平下不銹鋼均表現(xiàn)出了循環(huán)硬化現(xiàn)象，且隨著應力幅值的增加其循環(huán)硬化更為明顯；Neuber律和Peterson方法得到的疲勞壽命預測結果均偏于保守，基于試驗結果的疲勞壽命預測結果更準確。

關鍵詞：022Cr17Ni12Mo2不銹鋼；低周疲勞；缺口試樣；疲勞壽命預測

0引言

在實際工程結構中不可避免地存在著鍵槽、螺紋孔等缺陷(統(tǒng)稱為缺口)，從而帶來明顯的應力集中，疲勞裂紋往往在此處萌生，缺口件疲勞性能研究正日益引起各國學者的重視。022Cr17Ni12Mo2不銹鋼(對應美國牌號316L)具有優(yōu)異的高溫強度,良好的加工硬化、塑性、焊接性、耐腐蝕性等綜合性能，被廣泛應用于造船以及石油化工等行業(yè)。

目前，針對316L不銹鋼光滑件的疲勞性能已開展了一定的研究。Roy等[1-2]通過常溫單軸低周疲勞試驗及顯微組織分析發(fā)現(xiàn)，316L不銹鋼在循環(huán)初期表現(xiàn)為循環(huán)硬化，隨后軟化、飽和直至失效；Kim等[3-4]對316L和316LN不銹鋼進行了疲勞試驗，得出疲勞壽命、蠕變疲勞壽命以及峰值應力隨氮含量增加而增大的結論；有限元分析為研究材料疲勞性能提供了一個新的途徑，蔣春松等[5]利用ABAQUS軟件對316L不銹鋼構件的彎曲微動過程進行了有限元模擬計算，采用多軸疲勞準則Smith-Watson-Topper(SWT)參數(shù)模型預測了彎曲微動裂紋萌生的位置和構件的疲勞壽命。已有的316L不銹鋼的疲勞性能研究大都局限于光滑試樣，有關缺口對其疲勞性能的影響研究相對較少，且集中在缺口對疲勞裂紋擴展行為影響的研究方面[6]。

為此，作者針對022Cr17Ni12Mo2不銹鋼光滑和缺口試樣進行了拉伸試驗和應力比為0的應力控制低周疲勞試驗，得到了不同應力水平下的應力-壽命曲線，并采用Neuber律、Peterson方法和基于試驗得到的疲勞缺口系數(shù)Kf計算損傷參量，進行缺口試樣疲勞壽命預測。

1試樣制備與試驗方法

1.1　試樣制備

試驗材料為太鋼不銹鋼股份有限公司生產的022Cr17Ni12Mo2不銹鋼，其化學成分如表1所示，熱處理狀態(tài)為冷軋態(tài)，屈服強度σs為342 MPa，抗拉強度σb為607 MPa，斷面收縮率ψ為68%，彈性模量E為200 GPa。

在不銹鋼板上截取光滑試樣和缺口試樣，其形狀和尺寸見圖1，厚度為1 mm。缺口試樣的理論應力集中系數(shù)Kt為2.4。

1.2　試驗方法

根據(jù)GB/T 228-2002，在EUT-1020型疲勞試驗機上進行光滑和缺口試樣的室溫拉伸試驗，加載速度為0.008 kN·s-1，做2組試驗取平均值；隨后根據(jù)GB/T 15248-2008，對光滑和缺口試樣進行相同條件下應力控制的拉-拉疲勞試驗，波形為三角波，周期4 s，設置最小載荷為0 kN(即應力比R為0)，最大載荷分別為1.4，1.3，1.2，1.1，1.0，0.9，0.8，0.7 kN，以試樣斷裂作為疲勞失效依據(jù)，記錄最大循環(huán)周次，以此作為疲勞壽命。試驗參數(shù)及結果如表2所示。

表1　試驗鋼的化學成分(質量分數(shù))Tab.1　Chemical composition of experimental steel (mass)　%

圖1　不同試樣的形狀和尺寸Fig.1　Shapes and dimensions of smooth (a) and notched (b) specimens

表2　光滑和缺口試樣的試驗參數(shù)及試驗結果Tab.2　Experimental parameters and results of smoothand notched specimens

2試驗結果與討論

2.1　拉伸性能

由圖2可見，缺口試樣的屈服強度和抗拉強度分別為360 MPa和632 MPa，而光滑試樣的分別為335 MPa和598 MPa，可見由于受到缺口效應的影響，出現(xiàn)了缺口強化，使得缺口試樣的屈服強度和抗拉強度均高于光滑試樣的；在應力-應變曲線后期，應力均隨應變的增加而下降，試樣在斷裂前均出現(xiàn)了頸縮現(xiàn)象，說明022Cr17Ni12Mo2不銹鋼具有良好的塑性。

圖2　不同試樣的工程應力-應變曲線Fig.2　Engineering stress-strain curve for notched specimen

2.2　拉-拉疲勞性能

2.2.1S-N曲線

從圖3中可以看到，光滑和缺口試樣的S-N曲線并不平行，可見不同應力水平下缺口效應并不相同。材料在交變載荷作用下，會發(fā)生疲勞裂紋的萌生和擴展，直至斷裂；在較高循環(huán)應力作用下，材料的疲勞壽命較低，裂紋擴展壽命占總壽命比例較大。022Cr17Ni12Mo2不銹鋼的塑性較好，在高的交變應力作用下，缺口根部會產生明顯的塑性變形，導致應力重新分布，因此應力集中的影響相對減小，表現(xiàn)為在高應力水平下兩種試樣的S-N曲線有相交的趨勢；而在較低的交變應力作用下，缺口效應明顯，疲勞壽命降低顯著，疲勞強度因子較大，這一結論與文獻[7]的相一致。

圖3　光滑試樣和缺口試樣S-N曲線Fig.3　S-N curves of smooth and notched specimens

光滑試樣S-N曲線擬合公式如下：

(1)

式中：σmax為最大循環(huán)應力；Nf為疲勞壽命。

缺口試樣S-N曲線擬合公式如下：

(2)

用式(1)除以式(2)得到缺口試樣疲勞強度因子與疲勞壽命的關系式為:

(3)

式中：K′為缺口試樣疲勞強度因子。

由式(3)擬合得到的曲線如圖4所示。由圖4可以看到，缺口試樣的疲勞強度因子隨著疲勞壽命的增加而增大。

圖4　缺口試樣疲勞強度因子與疲勞壽命的關系Fig.4　Relation between fatigue strength factor and fatigue lifeof notched specimen

2.2.2循環(huán)硬化特性

由圖5可知，在三種交變應力作用下缺口試樣的應變均先隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小，表現(xiàn)出循環(huán)硬化的特性；當循環(huán)60周次時應變達到穩(wěn)定。在0～320 MPa交變應力作用下，循環(huán)硬化的應變范圍Δε為0.017 6%；當交變應力為0～360 MPa時，Δε為0.019 3%；0～442 MPa時，Δε為0.024 0%?？梢?隨著交變應力增大，其由初始的循環(huán)硬化達到循環(huán)穩(wěn)定時的應變范圍增大，說明循環(huán)硬化更明顯。

圖5　缺口試樣應變-循環(huán)次數(shù)曲線Fig.5　Strain vs number of cycles for notched specimens

3疲勞壽命預測

3.1　損傷計算方法

在局部應力-應變分析中，Neuber律[8]以其簡單性被工程界廣泛應用，表達式為：

(4)

(5)

(6)

式中：Kt為理論應力集中系數(shù)；ΔS，Δe分別為名義應力和名義應變；Δσ和Δε分別為應力集中處的局部應力和局部應變。

結合Ramberg-Osgood方程，即可確定缺口根部的局部應力和應變范圍：

(7)

式中:n′為循環(huán)硬化指數(shù);K為循環(huán)硬化系數(shù);E為材料彈性模量。

Neuber律在使用過程中通常會得到偏于安全的預測結果，采用疲勞缺口系數(shù)Kf代替Kt，得到修正Neuber律：

(8)

計算Kf的方法較多，作者采用了Peterson公式[9]：

(9)

(10)

式中：ρ為缺口半徑；a′為與拉伸應力值相關的材料常數(shù)；σb為材料的抗拉強度。

由式(9)計算得到疲勞缺口系數(shù)為1.7。

疲勞缺口系數(shù)被定義為疲勞試驗中光滑試樣與缺口試樣的疲勞極限之比，結合試驗結果及式(1)和(2)，將105周次作為試驗鋼的無限疲勞壽命[10]，得到光滑試樣和缺口試樣的疲勞極限值之比,即試驗得到的疲勞缺口系數(shù)為1.2。

3.2　疲勞壽命預測

考慮缺口局部平均應力影響，采用基于應力疲勞的Manson-Coffin公式[11]：

(11)

式中：σm為平均應力；K取2 850 MPa；n′取0.38;a和d為疲勞相關參數(shù)，分別為1 234.2 MPa和-0.17。

由于試驗條件有限，試驗中只獲得了疲勞失效壽命?；谖墨I[12-13]，可認為022Cr17Ni12Mo2不銹鋼缺口試樣的裂紋萌生壽命約為總壽命的62%。

根據(jù)計算和試驗的Kf進行損傷參量計算，結合式(11)對疲勞壽命進行預測，結果如圖6所示，可見，Neuber律的預測結果普遍偏低。022Cr17Ni12Mo2不銹鋼具有良好的塑性，缺口效應對疲勞壽命的降低程度較小，因此采用理論應力集中系數(shù)計算缺口處的應力、應變值必然高估了疲勞損傷程度；采用Peterson方法的預測結果較Neuber律的有所改善，但預測結果偏于保守的趨勢依然存在；采用試驗確定的Kf預測的疲勞壽命比Peterson方法的更準確，其預測結果均位于兩倍分散帶內。

圖6　三種方法下疲勞壽命的預測結果Fig.6　Life prediction results by the three methods

4結論

(1) 022Cr17Ni12Mo2不銹鋼缺口試樣在拉伸試驗中表現(xiàn)出了明顯的缺口效應，缺口使得試樣的強度提高，不銹鋼具有良好的塑性。

(2) 在低交變應力循環(huán)下缺口效應對022Cr17Ni12Mo2不銹鋼疲勞壽命的影響更為明顯；在不同應力水平下，不銹鋼均發(fā)生了循環(huán)硬化，且隨著載荷幅值的增加，循環(huán)硬化程度增大。

(3) 采用Neuber律得到的疲勞壽命預測結果過于保守，Peterson方法的預測結果相對于Neuber律的有所改善，但結果仍偏于保守；采用試驗所得疲勞缺口系數(shù)進行壽命預測，得到了比Peterson方法更為準確的結果，預測結果均位于兩倍分散帶內。

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Fatigue Life Prediction of Notched Specimen for 022Cr17Ni12Mo2 Stainless Steel

WU Qi-zhou, LI Jiang-hua, GOU Zhi-fei, JIN Dan

(School of Energy and Power Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)

Abstract:The tensile tests and low cycle fatigue tests controlled by stress were conducted for smooth and notched specimens of 022Cr17Ni12Mo2 stainless steel. The fatigue notch factor obtained by Neuber′s rule, Peterson′s approach and the test results respectively was used to predict the fatigue life. The results show that the stainless steel presented an obvious notch effect and excellent ductility, and the notch effect was more obvious at lower stress level. The cyclic hardening phenomenon was observed at different stress levels and become more and more obvious with the increase of stress amplitude. The prediction results of fatigue life from Neuber′s rule and Peterson′s approach were both conservative, and that based on the test results was more accurate.

Key words:022Cr17Ni12Mo2 stainless steel; low cycle fatigue; notched specimen; fatigue life prediction

通訊作者(導師)：王硯軍教授 (導師)：何宇廷教授

作者簡介：韓田田(1990-)，女，山東濟南人，碩士研究生。 張浩宇(1993-)，男，山西忻州人，碩士研究生。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51275208) 國家自然科學基金資助項目(51475470)

收稿日期:2015-03-20； 2015-06-19；

修訂日期:2015-09-25 2015-10-05

DOI:10.11973/jxgccl201512015 10.11973/jxgccl201512014

中圖分類號：TH142.2；TG174.3

文獻標志碼：A

文章編號：1000-3738(2015)12-0055-04