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        單峰過載對(duì)2205雙相不銹鋼疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響

        2018-01-19 02:06:55
        機(jī)械工程材料 2018年1期
        關(guān)鍵詞:單峰尖端雙相

        (遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,撫順 113001)

        0 引 言

        2205雙相不銹鋼是工業(yè)中應(yīng)用最廣的一種雙相不銹鋼,其組織中鐵素體與奧氏體的體積各約占50%[1]。與鐵素體不銹鋼相比,2205雙相不銹鋼無室溫脆性, 具有更好的塑性、韌性和耐晶間腐蝕性能;與奧氏體不銹鋼相比,2205雙相不銹鋼具有更高的強(qiáng)度、更好的耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕能力[2-3]。因此,2205雙相不銹鋼在石油化工、沿海建筑等領(lǐng)域[4-7]具有廣闊的應(yīng)用前景。疲勞交變載荷是這些領(lǐng)域中各種工程結(jié)構(gòu)件和設(shè)備在服役過程中常見的載荷類型,也是使其發(fā)生失效的主要原因之一。工程結(jié)構(gòu)件和設(shè)備在安裝及運(yùn)行過程中,常常會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)過載、超壓等現(xiàn)象。過載對(duì)工程材料的影響很大,影響機(jī)制也非常復(fù)雜[8]。目前,學(xué)者對(duì)不同材料的過載效應(yīng)進(jìn)行了大量的研究[9-13],但關(guān)于2205雙相不銹鋼的研究報(bào)道較少。為此,作者對(duì)2205雙相不銹鋼進(jìn)行了不同過載比下的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn),研究單峰過載對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響,這對(duì)2205雙相不銹鋼在具有瞬時(shí)過載環(huán)境中的工程安全應(yīng)用具有一定意義。

        1 試樣制備與試驗(yàn)方法

        試驗(yàn)材料為上海寶鋼不銹鋼有限公司生產(chǎn)的熱軋態(tài)SAF 2205雙相不銹鋼鋼板,厚度為12 mm,化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.02C,0.50Si,1.38Mn,0.026P,0.001S,22.30Cr,5.44Ni,3.13Mo,0.162N,余Fe,屈服強(qiáng)度為600 MPa,抗拉強(qiáng)度為790 MPa。在試驗(yàn)鋼板上截取金相試樣,經(jīng)打磨、拋光后,用12 g K3Fe(CN)6,40 g NaOH,100 mL H2O配制的溶液沸騰后腐蝕40 s,在Leica Q500MW型正立式金相顯微鏡上觀察顯微組織。

        按照GB/T 6398-2000《金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法》,在試驗(yàn)鋼板上加工出標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲(SEB)試樣,其形狀與尺寸如圖1所示,試樣的裂紋擴(kuò)展方向與熱軋鋼板的軋制方向一致。在Instron8872型電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn),采用恒幅載荷加載方式,波形為正弦波,頻率為10 Hz,應(yīng)力比為0.1。試驗(yàn)前采用較大的載荷預(yù)制疲勞裂紋,第一級(jí)力值范圍為10 kN,三到四級(jí)逐級(jí)降力,每級(jí)降低10%~20%,最后一級(jí)降至力值范圍4.5 kN,預(yù)制疲勞裂紋長約2 mm。預(yù)制完成后,開始試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,當(dāng)裂紋擴(kuò)展進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段,且裂紋長度約為11 mm時(shí)施加單峰過載,然后繼續(xù)循環(huán)加載。加載方式如圖2所示,圖中Pmax為循環(huán)加載的最大力,Pmin為循環(huán)加載的最小力,Poverload為單峰過載力。過載比γ的計(jì)算公式為

        (1)

        試驗(yàn)中γ分別取1.0,1.5,2.5和3.5。采用柔度法測裂紋長度,用七步遞增多項(xiàng)式法擬合并計(jì)算穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。采用NOVA NanoSEM430型掃描電鏡(SEM)觀察斷口形貌。

        圖1 三點(diǎn)彎曲試樣的形狀與尺寸Fig.1 Shape and dimension of three point bending specimen

        圖2 加載方式示意Fig.2 Schematic of loading mode

        2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 顯微組織

        由圖3可知:試驗(yàn)鋼的顯微組織由鐵素體和奧氏體組成;灰色組織為鐵素體相,晶粒粗大且沿軋制方向被明顯拉長;白色組織為奧氏體相,晶粒較細(xì)小且呈彌散分布;經(jīng)圖像分析發(fā)現(xiàn),鐵素體和奧氏體的體積比接近1∶1。

        圖3 試驗(yàn)鋼的顯微組織Fig.3 Microstructure of tested steel

        2.2 疲勞裂紋擴(kuò)展速率

        圖4中Nd為施加單峰過載后,裂紋繼續(xù)擴(kuò)展所需要的載荷循環(huán)次數(shù)。由圖4可知:施加不同過載比的單峰過載后,試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展曲線出現(xiàn)明顯的“平臺(tái)區(qū)”,此時(shí)裂紋長度出現(xiàn)停止增大甚至減小的現(xiàn)象,這表明裂紋擴(kuò)展停滯甚至裂紋發(fā)生閉合;繼續(xù)施加Nd周次循環(huán)載荷后,裂紋長度才繼續(xù)增大;當(dāng)γ為1.0,1.5,2.5時(shí),Nd分別為0,14 363,218 743周次,即當(dāng)γ<3.5時(shí),隨著γ的增大,Nd增加,裂紋擴(kuò)展停滯的時(shí)間延長;當(dāng)γ=3.5時(shí),裂紋擴(kuò)展完全停止,循環(huán)載荷繼續(xù)加載至5×105周次時(shí)裂紋長度也未發(fā)生變化,這是由于單峰過載后,裂紋停止擴(kuò)展,而試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以5×105次循環(huán)作為一個(gè)單點(diǎn)。由此可以看出,γ越大,試樣的壽命越長。

        圖4 不同過載比下試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展曲線Fig.4 Fatigue crack propagation curves of samples at different overload ratios

        由圖5可知:當(dāng)γ=1.0時(shí),即未施加過載時(shí)試樣的裂紋擴(kuò)展速率曲線為一條直線;當(dāng)施加單峰過載后,裂紋擴(kuò)展速率顯著下降,且γ越大,裂紋擴(kuò)展速率下降的幅度越大;當(dāng)γ=2.5時(shí),裂紋擴(kuò)展速率下降約一個(gè)數(shù)量級(jí),繼續(xù)加載一定周次后,裂紋擴(kuò)展速率才逐漸恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展時(shí)的速率;當(dāng)γ=3.5時(shí),施加單峰過載后裂紋擴(kuò)展完全停止。

        圖5 不同過載比下試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線Fig.5 Fatigue crack propagation rate curves of samples at different overload ratios

        表1中Δ(da/dN)為疲勞裂紋擴(kuò)展速率的最大變化量,Ni為初始階段裂紋擴(kuò)展至0.25 mm所需要的循環(huán)次數(shù)[14]。由表1可以看出,Nd,Δ(da/dN),Ni均隨γ的增大而增大。

        表1 不同過載比下試樣的Nd,Δ(da/dN)和NiTab.1 Nd,Δ(da/dN), Ni of samples at differentoverload ratios

        圖6 不同過載比下試樣疲勞裂紋尖端的表面形貌Fig.6 Surface morphology of the fatigue crack tips of samples at different overload ratios

        由圖6可知:當(dāng)γ=2.5時(shí),裂紋尖端明顯鈍化,裂紋仍保持在原有裂紋平面擴(kuò)展;當(dāng)γ=3.5時(shí),裂紋尖端呈“Y”字型,裂紋尖端不再尖銳,出現(xiàn)裂紋偏折及開叉現(xiàn)象,裂紋不再沿原有裂紋平面擴(kuò)展。

        2.3 斷口形貌

        由圖7可知:當(dāng)裂紋擴(kuò)展到11 mm時(shí),在施加過載的位置出現(xiàn)了一條明顯的分界線,該分界線為過載線,過載線左側(cè)為未過載區(qū)域,右側(cè)為過載塑性區(qū);未過載區(qū)域的斷裂形貌以準(zhǔn)解理特征為主,河流花樣明顯,河流花樣短而彎曲,且較密集;過載后,試樣斷口中出現(xiàn)較大的解理面和長而直的撕裂棱,斷裂形式為解理斷裂,河流花樣變得稀疏,且長而直;過載線右側(cè)出現(xiàn)了較多的微裂紋,推測是由于2205雙相鋼中的雜質(zhì)在過載的作用下誘發(fā)而產(chǎn)生的;當(dāng)裂紋穿過過載塑性區(qū)后,斷口形貌又呈準(zhǔn)解理特征。

        2.4 分析與討論

        疲勞裂紋尖端因反向屈服而產(chǎn)生裂紋尖端塑性區(qū)及殘余壓應(yīng)力場,在循環(huán)載荷的作用下,裂紋必須突破其尖端殘余壓應(yīng)力場才能繼續(xù)擴(kuò)展[15]。JONES等[16]認(rèn)為施加過載后,會(huì)在塑性材料裂紋尖端區(qū)域形成塑性強(qiáng)化區(qū),當(dāng)裂紋穿過塑性強(qiáng)化區(qū)時(shí),會(huì)導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率下降。

        圖7 裂紋擴(kuò)展到11 mm時(shí)試樣的斷口SEM形貌(γ=2.5)Fig.7 Fracture SEM morphology of sample with crack extended to 11 mm (γ=2.5): (a) at low magnification; (b) at relatively low magnification; (c) at relatively high magnification and (d) at high magnification

        圖8 裂紋尖端塑性區(qū)及分叉示意Fig.8 Schematic of plastic zone (a) and bifurcation at crack tip (b)

        當(dāng)γ<3.5時(shí),裂紋在施加單峰過載后仍沿名義I型裂紋擴(kuò)展平面擴(kuò)展,但擴(kuò)展速率明顯下降甚至停滯,繼續(xù)施加循環(huán)載荷Nd周次后,裂紋擴(kuò)展速率才逐漸恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展時(shí)的擴(kuò)展速率,且隨著γ的增大,Nd增加,裂紋恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展的時(shí)間變長。裂紋擴(kuò)展速率的下降甚至停滯是由過載導(dǎo)致裂紋尖端鈍化或閉合引起的,如圖8(a)所示。CHRISTENSEN[17]和RICE[18]提出,過載引起的裂紋尖端鈍化猶如一個(gè)缺口,其應(yīng)力集中比原來尖裂紋的小,該鈍化甚至可以持續(xù)到過載后的裂紋擴(kuò)展,從而導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展受到阻滯。ELBER[19-20]認(rèn)為過載引起裂紋尖端形成超大塑性區(qū),使裂紋尖端發(fā)生閉合,導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展停滯。隨著γ的增大,裂紋尖端過載塑性區(qū)及殘余壓應(yīng)力場范圍增大,裂紋尖端鈍化或閉合程度顯著,裂紋穿過過載塑性區(qū)所需要的時(shí)間延長。裂紋一旦突破過載塑性區(qū),裂紋擴(kuò)展就會(huì)恢復(fù)到原來的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段。

        當(dāng)γ=3.5時(shí),施加單峰過載后,裂紋尖端發(fā)生明顯偏折及分叉,裂紋擴(kuò)展完全停止,繼續(xù)循環(huán)加載至5×105周次后,裂紋擴(kuò)展仍未見恢復(fù)。如圖8(b)所示,過載引起裂紋尖端偏離名義I型裂紋擴(kuò)展平面,發(fā)生分叉,使裂紋尖端有效應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍大大降低,導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展完全停止,這符合TREBICKI等[21]和SOBCZYK等[22]提出的裂紋分叉機(jī)制。

        3 結(jié) 論

        (1) 單峰過載使得2205雙相不銹鋼中疲勞裂紋擴(kuò)展出現(xiàn)明顯的遲滯效應(yīng);過載比越大,裂紋擴(kuò)展停滯的時(shí)間越長,疲勞裂紋擴(kuò)展速率下降的幅度越大。

        (2) 當(dāng)γ<3.5時(shí),單峰過載引起裂紋尖端發(fā)生鈍化或閉合,導(dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯下降甚至停滯;當(dāng)γ=3.5時(shí),單峰過載引起裂紋尖端發(fā)生偏折及分叉,使裂紋尖端有效應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍大幅度降低,疲勞裂紋擴(kuò)展完全停止。

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