羅少強， 舒林森， 王 波， 王家勝

(陜西理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

304L奧氏體不銹鋼(00Cr19Ni10)具有良好的耐熱性、耐腐蝕性、焊接性和機械性能[1-2]等，被廣泛應(yīng)用于汽車配件、船舶部件、食品工業(yè)、農(nóng)業(yè)機械和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。304L不銹鋼零件受動靜載荷幅擾動作用，容易產(chǎn)生疲勞失效。因此，研究304L不銹鋼的疲勞性能并預(yù)測其疲勞壽命就非常重要。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對304不銹鋼材料的疲勞性能已展開相關(guān)研究。CHOU L H等[3]試驗驗證了預(yù)循環(huán)損傷歷程對SUS304不銹鋼疲勞性能的影響。TASDIGHI E等[4]研究了小沖孔試驗在304不銹鋼軸向疲勞壽命預(yù)測中的應(yīng)用，同時提出了一種基于SPT的評估剩余疲勞壽命方法。ERINOSHO T O等[5]基于機械疲勞模型(MFM)研究計算了壓力、溫度、管壁厚度和停滯時間對304不銹鋼疲勞壽命的影響。LESIUK G等[6]研究了高密度電脈沖對304不銹鋼疲勞壽命的影響。張真源等[7]采用超聲疲勞試驗技術(shù)研究了304不銹鋼的超高周疲勞性能，研究表明304不銹鋼的S-N曲線呈現(xiàn)階梯下降趨勢。劉儉輝等[8]研究了304不銹鋼低周疲勞斷裂特性，得到其低周擬合S-N曲線表達式。姜公鋒等[9]對室溫下3種不同程度預(yù)應(yīng)變強化的304不銹鋼進行了低周疲勞壽命預(yù)測，認為采用預(yù)應(yīng)變強化疲勞壽命設(shè)計曲線的評估方法可以有效提高疲勞壽命。肖智杰等[10]分析了304不銹鋼點焊和膠焊的疲勞強度，獲得了兩種接頭不同應(yīng)力水平下的疲勞特性和S-N曲線。已有文獻主要研究的是304不銹鋼的疲勞性能及其影響因素，對于304L不銹鋼疲勞性能研究卻很少，缺乏1 mm厚304L不銹鋼基礎(chǔ)性疲勞數(shù)據(jù)，所以研究1 mm厚304L不銹鋼冷軋板的低周疲勞性能就具有重要意義。

鑒于此，本文以1 mm厚304L奧氏體不銹鋼冷軋板為研究對象，對其光滑試件進行單向靜拉伸試驗和不同應(yīng)力水平控制下的低周疲勞試驗。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料為1 mm 304L不銹鋼冷軋板板材，熱處理狀態(tài)為固溶1030 ℃快冷，屈服強度σ0.2為177 MPa，抗拉強度σb為480 MPa，伸長率δ5為40%，斷面收縮率φ為60%，維氏硬度不大于200 HV，彈性模量E為195 GPa，其主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 304L不銹鋼主要化學(xué)成分

根據(jù)國標《GB/T228—2002拉伸試驗板狀試樣形狀和尺寸標準》，選取比例系數(shù)k為11.3，標距L0為40 mm，過渡半徑R為36.25 mm；光滑試樣采用型號為DK7732TM寶時格精密中走絲線切割機床制備，對走絲表面進行機械打磨，以滿足光滑試件的表面粗糙度要求(Ra為3.2)。304L不銹鋼光滑試樣的形狀和尺寸如圖1所示。

圖1 光滑試樣的形狀和尺寸

1.2 試驗方法

基于國標《GB/T228—2002金屬材料室溫拉伸試驗方法》，采用型號為WAW-300微機控制電液伺服萬能試驗機對光滑試件進行室溫下單向靜拉伸試驗，平均加載速度為10.8 kN/s，平均位移速度為5 mm/min，共進行3組試驗并取其平均值；基于國標《GB/T15248—2008金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗方法》，采用型號為PLN-200電液伺服疲勞萬能試驗機對光滑試件在負荷控制下進行應(yīng)力比為0的低周疲勞試驗，選擇正弦波形，頻率為15 Hz，最小載荷為0 kN，最大載荷分別為4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0 kN，以光滑試件疲勞斷裂失效為判斷依據(jù)記錄最大循環(huán)次數(shù)，試驗參數(shù)及結(jié)果見表2。

表2 試驗參數(shù)及結(jié)果

圖2 光滑試樣的載荷-位移(P-L)曲線

圖3 應(yīng)力-壽命(S-N)曲線

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 拉伸性能

圖2為3組304L不銹鋼光滑試件單向靜拉伸試驗的載荷-位移(P-L)曲線，得到光滑試件的屈服強度和抗拉強度的平均值分別約為400 MPa和912.5 MPa，分別為材料本身屈服強度和抗拉強度的2.25倍和1.90倍。圖中可見，P-L曲線中并沒有產(chǎn)生明顯的屈服過渡，而是呈現(xiàn)出連續(xù)屈服現(xiàn)象；3組304L不銹鋼光滑試件的單向靜拉伸試驗，均發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了一定程度的頸縮現(xiàn)象，這說明304L不銹鋼冷軋板比普通304不銹鋼的塑性好。

2.2 疲勞性能

2.2.1 應(yīng)力-壽命(S-N)曲線分析

由表2可知，隨著加載應(yīng)力水平的逐漸增加，304L不銹鋼光滑試件的疲勞循環(huán)周次逐漸降低，疲勞壽命持續(xù)衰減。基于不同應(yīng)力水平控制下的低周疲勞試驗參數(shù)以及疲勞循環(huán)周次試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)文獻[11-12]的擬合方法，對其最大應(yīng)力和疲勞壽命離散點進行擬合得到S-N曲線，如圖3所示。

根據(jù)疲勞壽命離散點的分布規(guī)律，最大應(yīng)力與疲勞壽命之間呈現(xiàn)非線性反比例關(guān)系，宜采用冪函數(shù)來進行曲線擬合，其中：疲勞壽命Nf為自變量，最大應(yīng)力σmax為因變量。通過該材料的S-N擬合曲線，得到光滑試件最大應(yīng)力σmax與疲勞壽命Nf之間的關(guān)系為

σmax=1 793.093 1(Nf)-0.119 33。

(1)

去掉無限壽命離散點后，擬合結(jié)果有4個疲勞離散點落在擬合S-N曲線上，3個疲勞離散點有所偏離但偏距較小。由此可知，擬合結(jié)果能夠較好的反映304L不銹鋼冷軋板在不同應(yīng)力水平下的低周疲勞特性。

2.2.2 遲滯回線特性分析

圖4為不同應(yīng)力水平下循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特性。圖4(a)為疲勞應(yīng)力幅在低于材料疲勞極限時的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，應(yīng)力范圍Δσ在0～350 MPa的總應(yīng)變是以線彈性應(yīng)變?yōu)橹?，由于材料本身的記憶特性，在循環(huán)周次逐漸增加的同時，循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律一致，并逐漸向右移動，在此階段內(nèi)光滑試件發(fā)生疲勞失效的概率較低，呈現(xiàn)出無限疲勞壽命；圖4(b)為塑性應(yīng)變起主導(dǎo)作用的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，應(yīng)力范圍Δσ在0～600 MPa之間，疲勞圈數(shù)范圍為300～8000圈，隨著疲勞循環(huán)周次的逐漸增加，應(yīng)變量Δε由最初0.230 38%逐漸過渡減小至0.203 75%并趨于穩(wěn)定，其應(yīng)變幅度為0.026 63%，呈現(xiàn)出應(yīng)力控制下應(yīng)變幅先減小后穩(wěn)定的循環(huán)硬化現(xiàn)象。

(a)線彈性應(yīng)變?yōu)橹?(b)塑性應(yīng)變?yōu)橹鲌D4 遲滯回線特性曲線

3 疲勞壽命預(yù)測

3.1 基于Basquin公式壽命預(yù)測

著名的Basquin公式[13]認為，在進行恒應(yīng)力幅疲勞試驗的過程中，其應(yīng)力幅值與發(fā)生破壞的載荷循環(huán)周次之間存在關(guān)系，即就是Basquin表達式：

σa=σf′(2Nf)b，

(2)

式中σa為應(yīng)力幅，σf′為疲勞強度系數(shù)，Nf為在恒幅載荷疲勞斷裂時的循環(huán)周次，b為疲勞強度指數(shù)。

同時，采用四點關(guān)聯(lián)法[12]來確定公式(2)中疲勞強度指數(shù)b，其中

(3)

式中σb為材料靜拉伸試驗的抗拉強度，σf為真斷裂強度，兩者之間的關(guān)系為

σf=σb+350 MPa[14]，

(4)

為了方便計算，一般認為σf′≈σf。同時，計算得到b為-0.106，σf值為1 262.5 MPa。

3.2 基于Manson-Coffin公式壽命預(yù)測

傳統(tǒng)的Manson-Coffin公式[15]表達式為

(5)

式中εf′為疲勞延續(xù)系數(shù)，c為疲勞延續(xù)指數(shù)。

為了進一步提高壽命預(yù)測精度，對Manson-Coffin公式進行平均應(yīng)力修正，采用Morrow彈性應(yīng)力線性修正法進行修正：

(6)

式中σm為平均應(yīng)力。

εa采用單軸循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線表達式來計算，其表達式為

(7)

式中E為彈性模量，K′為循環(huán)強度系數(shù)，n′為循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。

根據(jù)迭代法得出疲勞壽命預(yù)測公式：

(8)

Manson總結(jié)的通用斜率法[15]認為b取值-0.12，c取值-0.6。真斷裂延性εf計算公式為

(9)

式中A0為試樣初始截面積,A為試樣瞬時截面積,φ為試件斷面收縮率。

擬合計算得到：n′=0.2，K′=1 340.14 MPa，εf′≈εf=0.742。不同應(yīng)力水平下的總應(yīng)變εa如表3所示。

表3 不同應(yīng)力水平下的總應(yīng)變εa

基于Basquin公式和Manson-Coffin修正公式的疲勞壽命預(yù)測結(jié)果如圖5所示，兩種方法的預(yù)測結(jié)果大部分都落在2倍分散帶內(nèi)，少數(shù)接近材料抗拉強度應(yīng)力幅的疲勞離散點偏離2倍分散帶較大，總體壽命預(yù)測結(jié)果較好。與Manson-Coffin修正公式預(yù)測結(jié)果相比，Basquin公式對于低周疲勞的壽命預(yù)測效果較好，如應(yīng)力范圍在0～500 MPa，其壽命預(yù)測結(jié)果值為45 356次，試驗值為43 090次，二者相差5.258%，基本與試驗結(jié)果一致；而修正的Manson-Coffin公式預(yù)測結(jié)果值為19 702次，與試驗結(jié)果相差較大，預(yù)測低周疲勞壽命精度不足，這是因為結(jié)果計算時會產(chǎn)生一些無效塑性應(yīng)變點。

圖5 低周疲勞壽命預(yù)測結(jié)果

4 結(jié) 論

本研究對304L不銹鋼冷軋板的光滑試件進行了單向靜拉伸試驗和不同應(yīng)力水平控制下的低周疲勞試驗，分析了304L不銹鋼疲勞行為特性，并基于Basquin公式和Manson-Coffin修正公式對其進行疲勞壽命預(yù)測，得出結(jié)論如下：

(1)拉伸試驗結(jié)果反映了304L不銹鋼冷軋板光滑試樣的屈服強度和抗拉強度分別約為400 MPa和912.5 MPa，均達到了材料本身強度的1.90倍以上；載荷-位移(P-L)曲線呈現(xiàn)出連續(xù)過渡，3組拉伸試驗中斷裂前產(chǎn)生了頸縮，反映了該材料具有良好的塑性。

(2)低周疲勞試驗結(jié)果表明，304L不銹鋼在低于疲勞極限下的壽命具有無限疲勞壽命特點，但在高于疲勞極限下試件的疲勞循環(huán)周次隨著加載應(yīng)力水平的增加而降低。

(3)Basquin公式和Manson-Coffin修正公式預(yù)測的304L不銹鋼冷軋板低周疲勞壽命次數(shù)，基本分布在2倍分散帶內(nèi)，但Basquin公式預(yù)測結(jié)果要好于Manson-Coffin修正公式。