肖青山，秦貫洲2，唐 毅，陳銀強，施少波

(1.中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223；2.江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222000)

0 引言

316LN不銹鋼廣泛應(yīng)用于壓水堆中的管道等部件，這些部件在啟/停堆、功率瞬變過程中，經(jīng)常承受因溫度梯度造成的循環(huán)熱應(yīng)力，所以在設(shè)計和壽命分析中需要考慮低周疲勞(Low Cycle Fatigue,LCF)的失效模式[1-3]。

何國求等[4]對316L和316LN不銹鋼進(jìn)行了單軸和多軸的LCF試驗，觀察了疲勞位錯結(jié)構(gòu)，分析了合金元素N對疲勞特性及其微觀結(jié)構(gòu)的影響。陳凌等[5]對316L鋼在420 ℃下進(jìn)行了應(yīng)力控制的LCF試驗，分析了塑性應(yīng)變、平均應(yīng)變等參數(shù)的變化特性。閆永超等[6]研究了應(yīng)變強化022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼的室溫LCF性能。Dutta等[7]對316不銹鋼在0.3%～1.2%應(yīng)變幅范圍內(nèi)進(jìn)行LCF試驗，分析了循環(huán)彈-塑性的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)和疲勞損傷參數(shù)的變化。Samir等[8]對316LN不銹鋼在加載應(yīng)變速率3×10-3s-1下進(jìn)行了LCF研究，分析了彈塑性響應(yīng)特征。Botshekan等[9]在300 K和77 K下對316LN不銹鋼進(jìn)行了拉伸和LCF試驗，研究溫度對塑性變形過程和馬氏體形成的影響。Kamaya[10]對316不銹鋼的LCF樣品進(jìn)行了EBSD和SEM觀測，以研究體積損傷對疲勞裂紋形成的影響。

本文對核級管道不銹鋼材料316LN試樣進(jìn)行應(yīng)變控制的LCF試驗研究，分析疲勞循環(huán)特性和彈性模量的變化，使用Manson-Coffin關(guān)系式分析應(yīng)變-壽命曲線，并將試驗數(shù)據(jù)和ASME曲線進(jìn)行對比。

1 LCF試驗

1.1 材料和試樣

圖1 疲勞試樣結(jié)構(gòu)尺寸示意

試驗中疲勞試樣取自核級焊接管道中的316LN母材部分，試樣縱向與管道軸向平行，中間平行段長度為25 mm，表面粗糙度Ra<0.2 μm，試樣結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

1.2 試驗過程

室溫下的LCF試驗在MTS Landmark370.10液壓伺服試驗機上進(jìn)行，最大承載能力±50 kN。試驗依據(jù)ASTM E606/E606M-12標(biāo)準(zhǔn)[11]，加載波形為三角波，應(yīng)變比Rε=-1，平均應(yīng)變εm=0，采用應(yīng)變控制，加載頻率為0.5 Hz。選取了5級不同水平的應(yīng)變幅值，分別為εa=0.2%，0.3%，0.4%，0.6%，0.7%，為了降低試驗誤差，在每級應(yīng)變幅水平下測試最少3個疲勞試樣，并記錄應(yīng)力-應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)和疲勞壽命Nf。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 遲滯回線

疲勞試樣在5級應(yīng)變幅水平下的遲滯回線如圖2所示。每級應(yīng)變幅水平下選取一件代表性試樣描述應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，每個試樣分別選取了初始循環(huán)(第2和10循環(huán))、中間循環(huán)和接近失效時的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，圖2(f)中為5級應(yīng)變幅水平下中間循環(huán)時的穩(wěn)定遲滯回線對比。在疲勞加載和卸載的過程中遲滯回線近似對稱，隨著應(yīng)變幅值由0.2%增大到0.7%，遲滯回線變寬、變高、面積增大。在每級應(yīng)變幅水平下，隨著疲勞循環(huán)數(shù)的增加，試樣從初始循環(huán)到穩(wěn)定循環(huán)、直至接近失效的過程中表現(xiàn)出循環(huán)軟化的特征。

(a)應(yīng)變幅0.2%(試樣號：2SPL-20) (b)應(yīng)變幅0.3%(試樣號：2SPL-25)

(c)應(yīng)變幅0.4%(試樣號：2SPL-17)

(d)應(yīng)變幅0.6%(試樣號：2SPL-22)

(e)應(yīng)變幅0.7%(試樣號：2SPL-28)

(f)中間循環(huán)

圖2 各級應(yīng)變幅水平下的遲滯回線

2.2 循環(huán)響應(yīng)

應(yīng)變控制下的疲勞試樣在各級應(yīng)變幅水平時應(yīng)力峰值、谷值隨疲勞循環(huán)數(shù)的變化如圖3所示。

圖3 應(yīng)力峰值和谷值隨疲勞循環(huán)數(shù)的變化

從圖3可看出，峰值和谷值的變化表現(xiàn)出了相同趨勢。在應(yīng)變幅水平較低(Δεt/2=0.2%)時，隨著循環(huán)數(shù)的增加，應(yīng)力峰值和谷值緩慢降低，試樣表現(xiàn)出循環(huán)軟化特征；隨著應(yīng)變幅值增加(Δεt/2>0.2%)，在初始前約10個循環(huán)時，隨著循環(huán)數(shù)的增加，應(yīng)力峰值和谷值緩慢增加，試樣表現(xiàn)出循環(huán)硬化特征，大約10個循環(huán)之后、直至試樣斷裂的過程中表現(xiàn)出循環(huán)軟化的特征，且沒有表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)。隨著應(yīng)變幅水平的增加，初始循環(huán)硬化和后期循環(huán)軟化的程度也都在增加。

2.3 彈性模量

根據(jù)遲滯回線得到了各級應(yīng)變幅水平下循環(huán)彈性模量隨疲勞循環(huán)數(shù)變化的關(guān)系曲線，如圖4所示。其中，循環(huán)彈性模量E*為峰值拉伸應(yīng)力后卸載模量ET和谷值壓縮應(yīng)力后卸載模量EC的平均值(E*=(ET+EC)/2)。從圖4(a)～(e)可以看出,在疲勞初始階段，循環(huán)彈性模量緩慢下降，應(yīng)變幅值較大(0.6%和0.7%)時下降程度較大，0.1Nf后下降趨于平緩，在疲勞過程中大部分階段幾乎保持穩(wěn)定。當(dāng)εa≤0.4%時，循環(huán)數(shù)達(dá)到0.9Nf時模量值迅速下降；當(dāng)εa>0.4%時，循環(huán)數(shù)達(dá)到0.8Nf時模量值已開始下降。從圖4(f)可以看出，隨著應(yīng)變幅值由0.2%增加到0.7%，疲勞中間過程中的彈性模量值在下降。文獻(xiàn)[12-14]對疲勞過程中彈性模量的損傷特性與疲勞裂紋萌生階段、擴展階段的聯(lián)系進(jìn)行了研究，彈性模量急劇降低的點可以作為疲勞裂紋萌生和擴展的分界點。

(a)εa=0.2% (b)εa=0.3%

(c)εa=0.4%

(d)εa=0.6%

(e)εa=0.7%

(f)各級應(yīng)變幅下模量變化

圖4 各級應(yīng)變幅水平下循環(huán)彈性模量隨疲勞循環(huán)數(shù)的變化

2.4 疲勞壽命曲線

2.4.1 Manson-Coffin曲線

彈性應(yīng)變幅Δεe/2和疲勞壽命Nf的關(guān)系可以由Basquin公式[15-16]進(jìn)行描述：

(1)

式中σ′f——疲勞強度系數(shù)；

E——彈性模量，MPa；

b——疲勞強度指數(shù)。

塑性應(yīng)變幅Δεp/2和疲勞壽命Nf的關(guān)系可以由Manson-Coffin[17]經(jīng)驗式進(jìn)行描述：

(2)

式中ε′f——疲勞強度延性系數(shù)；

c——疲勞強度延性指數(shù)。

上述兩公式描述的總應(yīng)變幅和疲勞壽命的關(guān)系式如下：

(3)

總應(yīng)變幅-壽命、彈性應(yīng)變幅-壽命和塑性應(yīng)變幅-壽命曲線如圖5(a)所示,彈性應(yīng)變幅-壽命曲線和塑性應(yīng)變幅-壽命曲線的交點處疲勞壽命Nf=24 000次，當(dāng)Nf<24 000次時，塑性應(yīng)變占主導(dǎo)，抗疲勞變形主要由延性控制；當(dāng)Nf>24 000次時，彈性應(yīng)變占主導(dǎo)，抗疲勞變形主要由強度控制。

(a)應(yīng)變幅-壽命曲線 (b)試驗數(shù)據(jù)和ASME規(guī)范曲線

圖5 疲勞壽命曲線

2.4.2 ASME規(guī)范疲勞設(shè)計曲線

建立在Langer公式基礎(chǔ)上的ASME規(guī)范疲勞曲線，虛擬應(yīng)力幅Sa依據(jù)總應(yīng)變范圍Δεt和彈性模量E計算：

Sa=EΔεt/2

(4)

試驗數(shù)據(jù)和ASME規(guī)范奧氏體不銹鋼疲勞設(shè)計曲線的對比見圖5(b)，試驗數(shù)據(jù)點均位于ASME規(guī)范曲線上方，所以ASME規(guī)范曲線存在安全裕度。

3 結(jié)論

(1)試樣在所施加的0.2%～0.7%應(yīng)變幅范圍內(nèi)，初始約10個循環(huán)內(nèi)表現(xiàn)出循環(huán)硬化，之后表現(xiàn)出循環(huán)軟化、直至失效，且應(yīng)變幅越大時，初始循環(huán)硬化和后期循環(huán)軟化的程度越大。

(2)循環(huán)彈性模量在前10%壽命期內(nèi)緩慢下降，之后趨于平緩，在達(dá)到80%～90%壽命后開始下降，且應(yīng)變幅值較大時，疲勞中間過程中的循環(huán)彈性模量值較小。

(3)試樣的應(yīng)變-疲勞壽命可以用Basquin和Manson-Coffin公式描述。獲得的疲勞曲線參數(shù)對0.2%～0.7%應(yīng)變范圍內(nèi)試驗結(jié)果的擬合效果較好，表明上述公式可以用于預(yù)測低周疲勞壽命。