俞樹榮,程 月,何燕妮,宋 偉

(蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

由等量鐵素體(α)和奧氏體(γ)相組成的超雙相不銹鋼(SDSSs)具有優(yōu)異的抗腐蝕性能和力學(xué)性能.廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、海洋建筑和海水淡化設(shè)施等[1-2].隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,SDSSs的耐腐蝕性已經(jīng)不能滿足極端苛刻的高溫和酸化氯化服務(wù)環(huán)境的要求[3].為了滿足日益增長(zhǎng)的需求,山特維克公司開發(fā)了具有優(yōu)異耐腐蝕性能和機(jī)械性能的高合金化超雙相不銹鋼(HDSS) SAF 2707HD,并引起了越來越多的關(guān)注.與SDSSs相比,SAF 2707HD是一種高合金雙向不銹鋼,點(diǎn)蝕阻力當(dāng)量數(shù) (PREN= wt.%Cr+3.3wt.%Mo+)大于48[4],可代替SAF2507用于海水等酸蝕、含氯環(huán)境,并且非常適用于熱海水等惡劣環(huán)境中[5].國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)SAF 2707HD材料性能研究做了大量的實(shí)驗(yàn).劉富強(qiáng)等[6]測(cè)試了變形量和固溶處理對(duì)SAF 2707HD的組織和性能影響.Eidhagen J等[7]對(duì)比了不同溫度下SAF 2707HD與SAF 2507的耐腐蝕性,并且列舉實(shí)例證明了SAF 2707HD的耐腐蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于SAF 2507.Zhang等[8]對(duì)SAF 2707HD在爐前溫度下的析出行為和相變進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),測(cè)出該材料的“鼻溫”為950°.Wang等[9]研究了σ相對(duì)SAF 2707HD短時(shí)效腐蝕的影響.在眾多研究中,卻未對(duì)SAF 2707HD的力學(xué)性能展開具體研究.彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要分為3種：簡(jiǎn)支梁彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),懸臂梁彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).但由于前兩種實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)際工況不太貼近.相比較之下,只有旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)方法才能完成被考核部位 360°全方位的加載,并且消除大量隨機(jī)因素的影響,與實(shí)際工況較為類似[10].因此,本文針對(duì)超級(jí)雙向不銹鋼SAF 2707HD,在循環(huán)周次107,應(yīng)力比R=-1的條件下,進(jìn)行空氣下的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn),研究在空氣介質(zhì)下的疲勞極限,以及該材料的疲勞失效特征.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

選擇高合金化超雙相不銹鋼SAF 2707HD (00Cr27Ni7Mo5N)作為實(shí)驗(yàn)材料,利用EDS能譜分析得到試樣化學(xué)成分見表1所列,符合ASTM A789-14標(biāo)準(zhǔn)要求.

表1 SAF 2707HD鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

試樣選擇固溶熱處理：粗加工→110 min內(nèi)緩慢加熱至1 020 ℃,保溫10 min→在30 min內(nèi)加熱至1 050 ℃,保溫30 min→油冷降溫→精加工.

在室溫下進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn),測(cè)試材料熱處理后的基礎(chǔ)力學(xué)性能.結(jié)果如下：抗拉強(qiáng)度988 MPa,屈服強(qiáng)度700 MPa,伸長(zhǎng)率51.4%,斷面收縮率69.44%.由于該材料在保持較高強(qiáng)度的同時(shí)兼有較高的韌性,故綜合力學(xué)性能優(yōu)良.

實(shí)驗(yàn)機(jī)選用YAMAMOTO集團(tuán)研發(fā)的多軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī),依據(jù)GB/T 4337—2015進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn).應(yīng)力比R=-1,轉(zhuǎn)速3 150 r/min,室溫20 ℃,試樣斷裂或循環(huán)達(dá)到107次,停止實(shí)驗(yàn).旋轉(zhuǎn)彎曲受載示意圖如圖1所示.旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣如圖2所示.

圖1 旋轉(zhuǎn)彎曲受載示意圖

圖2 旋轉(zhuǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)試樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of rotating bending test specimen

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 S-N曲線

采用升降法[11]測(cè)定SAF 2707HD空氣下的疲勞極限,圖3為SAF 2707HD的疲勞升降圖,根據(jù)式(1)計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)鋼SAF 2707HD的空氣下疲勞強(qiáng)度為680 MPa,為抗拉強(qiáng)度的68%.

(1)

式中：n為有效數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)(破壞及越出數(shù)據(jù)點(diǎn)均計(jì)算在內(nèi))；m為實(shí)驗(yàn)應(yīng)力水平級(jí)數(shù)；σi為第i級(jí)應(yīng)力水平；Vi為在第i級(jí)應(yīng)力水平的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù).

空氣下實(shí)驗(yàn)鋼SAF 2707HD旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的S-N曲線如圖4所示.對(duì)應(yīng)的循環(huán)周次為105～107,

圖3 SAF 2707HD的疲勞升降圖Fig.3 Up-down loading in fatigue of SAF 2707HD

圖4 SAF 2707HD的S-N曲線

應(yīng)力增量Δσ為15 MPa.試樣在外加載荷大于695 MPa時(shí)均未達(dá)到107就發(fā)生斷裂.從圖中可以發(fā)現(xiàn),可將S-N曲線分成兩部分.第一部分?jǐn)?shù)據(jù)為疲勞極限出現(xiàn)之前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),這一部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)離散度相對(duì)較大,但隨著應(yīng)力水平逐步下降,相對(duì)應(yīng)的疲勞壽命逐漸增加,曲線呈下降趨勢(shì).另一部分?jǐn)?shù)據(jù)為在應(yīng)力水平降為680 MPa時(shí),數(shù)據(jù)點(diǎn)顯示試樣循環(huán)周次趨近或大于107,使得曲線趨于水平.

2.2 斷口形貌分析

旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口通常分為3個(gè)區(qū)域,疲勞源區(qū)(A區(qū))、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)(B、C區(qū))以及最終瞬間斷裂區(qū)(D區(qū))[12].利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察空氣下疲勞斷口的整體形貌,如圖5a所示,試樣所受外加載荷σa=695 MPa,疲勞壽命Nf=7.62×105Cycle.A區(qū)為疲勞源區(qū)(見圖5b),能清晰的觀測(cè)到疲勞源處為放射狀擴(kuò)展的疲勞形貌,因此該斷口的疲勞源起源于表面加工缺陷[13].疲勞裂紋源由表面裂紋源和內(nèi)部裂紋源組成.若裂紋源由表面加工缺陷、應(yīng)力集中處等產(chǎn)生,則稱為表面裂紋源.裂紋源由自身微裂紋、內(nèi)部雜質(zhì)等產(chǎn)生,則稱為內(nèi)部裂紋源[14].圖5b即為表面裂紋源引起的疲勞斷裂.

疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)可分為兩個(gè)區(qū)域.B區(qū)的裂紋擴(kuò)展較為遲緩,在循環(huán)載荷的不斷作用下,裂紋不斷閉合張開,表面產(chǎn)生互相摩擦,使得此處表面的形貌特征相較其他區(qū)域顯得更為光滑、平坦,疲勞裂紋以準(zhǔn)解理的穿晶方式進(jìn)行延伸.C區(qū)域?yàn)榱鸭y擴(kuò)展的第2階段.可以觀察到隨著與疲勞裂紋之間距離增加,微觀斷口上的疲勞臺(tái)階逐漸變寬,有更多的疲勞輝紋和二次裂紋的出現(xiàn).疲勞條紋方向與裂紋擴(kuò)展方向基本垂直,并且在靠近D區(qū)的區(qū)域產(chǎn)生了少量且細(xì)小的韌窩. 如圖5c所示,由于所在相的不同會(huì)導(dǎo)致疲勞輝紋呈現(xiàn)出不同的形貌,奧氏體相(γ)呈現(xiàn)出密集細(xì)小的韌性疲勞條紋,而鐵素體相(α)呈現(xiàn)出疏松粗大的脆性疲勞條紋[15].這是由于鐵素體相上的鉻含量比奧氏體相上的鉻含量高但鎳則相對(duì)較低導(dǎo)致的[16].

D區(qū)為瞬斷區(qū),形貌特征如圖5d所示.當(dāng)擴(kuò)展至臨界長(zhǎng)度時(shí),裂紋會(huì)在此處發(fā)生嚴(yán)重塑性變形,因此呈現(xiàn)明顯撕裂,主要由大量的孔洞、韌窩和撕裂棱組成.為韌性斷裂.

圖6a為內(nèi)部疲勞源引起的疲勞斷裂(試樣所受外加載荷σa=680 MPa,疲勞壽命Nf=1.73×107Cycle),疲勞源起源于內(nèi)部雜質(zhì).圖6b為該斷口疲勞源區(qū),可以觀察到“魚眼”特征的存在.對(duì)比圖5a與圖6a發(fā)現(xiàn),由內(nèi)部疲勞源引起的斷口在裂紋源區(qū)與裂紋擴(kuò)展區(qū)第1階段的面積相對(duì)較大,因而疲勞壽命也相對(duì)應(yīng)增加.對(duì)比最終瞬間斷裂區(qū)面積,圖6a略小,這是由于外加載荷較小引起的.對(duì)比圖5b與圖6b發(fā)現(xiàn)由內(nèi)部雜質(zhì)引發(fā)的疲勞斷裂時(shí)疲勞源更為光滑.對(duì)該斷口的夾雜物進(jìn)行EDS能譜分析,如圖7所示,夾雜物以碳化物和氧化物為主.

圖5 外部疲勞源引起的疲勞斷裂形貌Fig.5 The appearance of fracture surface caused by external fatigue origins

圖6 內(nèi)部疲勞源引起的疲勞斷裂形貌Fig.6 The appearance of fracture surface caused by internal fatigue origins

通過對(duì)SAF 2707HD疲勞斷口形貌觀察發(fā)現(xiàn),由于試樣存在加工誤差并且內(nèi)部雜質(zhì)分布不同,受到的外加應(yīng)力也不同,因此試樣的疲勞裂紋形貌也不同.整理數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：循環(huán)周次在105數(shù)量級(jí)時(shí),多數(shù)裂紋源自表面萌生,并且偶爾伴隨多點(diǎn)萌生破壞的現(xiàn)象.而循環(huán)周次達(dá)到106數(shù)量級(jí)之后,裂紋源一般從內(nèi)部萌生且多為單一破壞源.因此提高零件表面加工精度,可有效提升試樣壽命.通過電鏡觀察與統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：此次進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)中,由非金屬夾雜引起的疲勞裂紋源和表面缺陷引起的疲勞裂紋源占比約為4∶6.

圖7 斷口夾雜物EDS能譜分析圖Fig.7 EDS energy spectrum analysis of inclusions on fracture surface

3 基于ABAQUS/FE-SAFE的疲勞壽命分析

3.1 有限元模型建立與計(jì)算過程

首先,使用ABAQUS對(duì)試樣創(chuàng)建三維模型.導(dǎo)入SAF 2707HD機(jī)械性能參數(shù).根據(jù)試樣受力情況對(duì)模型施加載荷,右側(cè)施加軸向與周向約束保證模型旋轉(zhuǎn),左側(cè)施加向下載荷.對(duì)試樣進(jìn)行網(wǎng)格劃分,模型單元格類型為C3D8,節(jié)點(diǎn)數(shù)166 770,單元數(shù)145 920,如圖8所示.將設(shè)置好的模型進(jìn)行運(yùn)算得到該試樣的整體應(yīng)力分析. 其次,將ABAQUS計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入FE-SAFE中,進(jìn)行疲勞壽命仿真計(jì)算.選取ABAQUS分析結(jié)果中的應(yīng)力并施加載荷譜.最后將FE-SAFE求解出的數(shù)據(jù)導(dǎo)入ABAQUS中進(jìn)行分析.

圖8 試樣網(wǎng)格劃分模型Fig.8 Meshing model of specimen

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

圖9為利用ABAQUS計(jì)算得出的應(yīng)力云圖.左端施加載荷分別為-98、-100、-102 N.隨著試樣中心部位截面積逐漸減小,應(yīng)力逐漸增大,模型中心截面處上下表面應(yīng)力增大,并且在試樣上表面達(dá)到峰值.外部施加載荷增加,模型最大應(yīng)力增大.

圖10為利用FE-SAFE計(jì)算得到的疲勞壽命,疲勞壽命隨載荷增加而減小.疲勞壽命在模型中心處呈現(xiàn)環(huán)形,并且遠(yuǎn)離中心方向逐漸降低.對(duì)比S-N曲線所獲得的疲勞壽命與模擬所得壽命,見表2所列,其誤差在15%以內(nèi).因此通過實(shí)驗(yàn)所得S-N曲線可與模擬所得數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證準(zhǔn)確性,并且證明該模型有限元模擬結(jié)果具有參考價(jià)值.因此,可將該模擬所用的材料參數(shù),導(dǎo)入不同模型中,為SAF 2707HD所制零件壽命的預(yù)測(cè)提供參考依據(jù).

圖9 不同載荷下試樣的應(yīng)力分布圖

圖10 不同載荷下試樣的疲勞壽命仿真分布圖Fig.10 Diagram of simulated fatigue lifetime of specimen under different loads

表2 實(shí)驗(yàn)壽命與模擬壽命對(duì)比

4 結(jié)論

1) SAF 2707HD經(jīng)熱處理之后,在保持優(yōu)良綜合力學(xué)性能的前提下,具有較高的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度.通過升降法測(cè)得該材料在空氣介質(zhì)下旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度為680 MPa.得到了室溫空氣環(huán)境下的S-N曲線圖.2) 疲勞斷口均為疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)以及最終瞬間斷裂區(qū)組成.微觀斷口形貌表現(xiàn)出明顯的韌性斷裂,疲勞裂紋以穿晶方式擴(kuò)展,在鐵素體相和奧氏體相上呈現(xiàn)出大量疲勞輝紋.3) 試樣低周疲勞斷裂時(shí),裂紋自表面萌生；試樣高周疲勞斷裂時(shí),裂紋自內(nèi)部萌生.非金屬夾雜和表面缺陷引起的疲勞裂紋源占比約為4∶6.4) 利用ABAQUS及FE-SAFE對(duì)試樣進(jìn)行疲勞壽命分析,得到了相應(yīng)的疲勞壽命云圖.實(shí)驗(yàn)所得壽命與模擬獲得壽命之間的誤差小于15%.證明了實(shí)驗(yàn)所得S-N曲線與有限元模擬的準(zhǔn)確性.