０ 引 言

Custom４５０沉淀硬化型不銹鋼是新近開發(fā)的 一種葉片鋼,具有高強(qiáng)度、高韌性,以及優(yōu)良的耐腐 蝕性能[１];其強(qiáng)化機(jī)制主要為富銅相的時(shí)效強(qiáng)化和 鉬、鈮元素的沉淀強(qiáng)化[２].Lin等[３]研究了 Custom ４５０不銹鋼在不同pH、溫度和不同濃度氯化鈉溶液 中的高周疲勞性能及疲勞裂紋擴(kuò)展速率,發(fā)現(xiàn)氯化 鈉溶液pH 對其疲勞壽命的影響最大,而溫度對裂 紋擴(kuò)展速率的影響最大;pH 對裂紋擴(kuò)展速率的影 響比對疲勞強(qiáng)度的影響小,由此可見疲勞裂紋的萌 生相較于擴(kuò)展更容易受到腐蝕環(huán)境的影響.目前對 于 Custom４５０不銹鋼的超高周疲勞性能尤其是在 模擬工況環(huán)境下的超高周疲勞性能及疲勞斷裂機(jī)制 研究還未見報(bào)道. 為此,作者根據(jù)汽輪機(jī)低壓葉片的實(shí)際工作環(huán) 境,在１００℃含氧量小于１mg??L－１的飽和蒸汽環(huán)境 下對 Custom４５０不銹鋼進(jìn)行了不同應(yīng)力比的超高 周疲勞試驗(yàn),得到了相應(yīng)的超高周疲勞SＧN 曲線,

分析了其疲勞特征,觀察了超高周疲勞斷口并分析 了不同應(yīng)力比下的超高周疲勞斷裂機(jī)制. １ 試樣制備與試驗(yàn)方法 

1.1 試樣制備

試驗(yàn)鋼為 Custom４５０不銹鋼,化學(xué)成分如表１ 所示.按照 GB/T３０７５－２００８和 ASTM E４６６Ｇ０７,在 試驗(yàn)鋼上車削加工出如圖１所示的疲勞試樣,軸向拋 光使其表面粗糙度Ra 小于０．２μm.為去除機(jī)加工 所造成的表面殘余壓應(yīng)力,在疲勞試驗(yàn)前將試樣置于 真空爐中進(jìn)行４５０℃保溫３h,然后以５０℃??h－１冷卻 至１５０℃后隨爐空冷的退火處理.

利用蔡司 Observer．A１m 型光學(xué)顯微鏡觀察熱 處理后試樣相鄰三個(gè)面的顯微組織,結(jié)果如圖２所 示,可知 Custom４５０不銹鋼經(jīng)去應(yīng)力退火處理后 的顯微組織為板條馬氏體組織,馬氏體組織均勻細(xì) 小,板條寬度約為５μm;在馬氏體組織間彌散分布 著碳化物顆粒,未見高溫δＧ鐵素體組織.三個(gè)面的 顯微組織相似、板條馬氏體寬度相近,可以認(rèn)為該不 銹鋼各向同性.

２ 試驗(yàn)方法

    采用氮?dú)獬跫罢婵粘跸嘟Y(jié)合的方法使超純 水中氧含量小于１mg??L－１,然后利用蒸汽發(fā)生器產(chǎn) 生１００ ℃的飽和水蒸氣;在該飽和水蒸氣中,利用 PLGＧ１００C型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行軸向等幅力 控制的疲勞試驗(yàn),載荷波形為正弦波,頻率為１２０Hz, 應(yīng)力比R 分別為－１,－０．６,０．１.試驗(yàn)完成后,利用 ZeissEVO MA１５型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試 樣的疲勞斷口形貌,并用 OxfordXＧMax５０型能譜儀(EDS)分析其斷口微區(qū)的化學(xué)成分.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

１ SＧN 曲線

     SＧN 曲線中 應(yīng) 力 幅σa 均 使 用 因 子 Q 進(jìn) 行 了 歸一化處理.由圖３可以看出,在三種應(yīng)力比下, 試樣的SＧN 曲線并沒有出現(xiàn)傳統(tǒng)疲勞理論的無限 接近水平線,而是表現(xiàn)為連續(xù)下降型曲線,疲勞極 限消失;在 〖10〗^7 周 次 后,SＧN 曲 線 的 斜 率 增 大,試 驗(yàn)鋼繼續(xù)發(fā) 生 疲 勞 斷 裂,其 超 高 周 疲 勞 強(qiáng) 度 下 降 明顯.對于超高周 SＧN 曲 線 呈 連 續(xù) 下 降 的 現(xiàn) 象, 許多學(xué)者已進(jìn)行了研究與分析[４－７],Zhang等[６]研 究了四種高 強(qiáng) 彈 簧 鋼 的 超 高 周 疲 勞 性 能,認(rèn) 為 超 高周SＧN 曲線的形狀由鋼中夾雜物尺寸決定,當(dāng) 夾雜物尺 寸 大 于 某 一 特 征 尺 寸 時(shí),SＧN 曲 線 為 連 續(xù)下降型曲線;錢桂安等[７]在對４０Cr鋼進(jìn)行超高 周 疲 勞 研 究 時(shí) 發(fā) 現(xiàn),當(dāng) ４０Cr鋼 處 在 腐 蝕 環(huán) 境 中 時(shí),SＧN 曲線連續(xù)下降,而在空氣環(huán)境中呈階梯形 變化.由此可判斷,Custom４５０不銹鋼的SＧN 曲 線呈現(xiàn)連續(xù)下降的變化趨勢可能是鋼中夾雜物與 環(huán)境共同作用的結(jié)果

    atdifferentstressratios 由圖３還可以看出,在應(yīng)力比為－１時(shí),疲勞壽 命 Nf 為108 周次試樣的疲勞強(qiáng)度是〖10〗^7 周次時(shí)的７１％,而應(yīng)力 比 為 －０．６,０．１ 時(shí),該 百 分 比 分 別 為 ６７％,４２％,可見應(yīng)力比越高,疲勞強(qiáng)度的降幅越大. 由于汽輪機(jī)葉片承受載荷的疲勞循環(huán)次數(shù)往往超過107周次,因此若采用傳統(tǒng)疲勞理論對 Custom４５０ 不銹鋼進(jìn)行壽命設(shè)計(jì),則設(shè)計(jì)偏于危險(xiǎn).

3.2斷口形貌 

    試樣表面均未發(fā)現(xiàn)明顯點(diǎn)蝕坑,而部分經(jīng)歷超 高周疲勞階段的試樣,由于其試驗(yàn)時(shí)間超過１０d,表 面出現(xiàn)了輕微氧化.在對試樣疲勞斷口進(jìn)行 SEM 觀察時(shí)未發(fā)現(xiàn)氧化膜的存在,EDS分析也未發(fā)現(xiàn)明 顯的氧含量上升,因此可以認(rèn)為１００ ℃含氧量小于 １mg??L－１的飽和水蒸氣對試樣的氧化作用很小;在 對超高周疲勞試樣斷口觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)有三種不同的起 裂模式,其典型的SEM 形貌如圖４~６所示.

    由圖４可以看出,裂紋源位于試樣表面加工缺 陷處,河流花樣由表面缺陷處呈扇形向四周擴(kuò)展,對 裂紋源位置進(jìn)行 EDS分析可知,裂紋源沒有發(fā)現(xiàn)非 金屬夾雜物的存在;疲勞裂紋的擴(kuò)展可分為兩個(gè)階 段,第一階段裂紋擴(kuò)展區(qū)的表面較為平坦,可以觀察 到眾多解理臺階,第二階段裂紋擴(kuò)展區(qū)呈放射狀河流花樣,并能觀察到斷續(xù)分布的疲勞輝紋. 

    由圖５可知,裂紋源位于試樣內(nèi)部夾雜物處, 呈明顯的魚 眼 特 征;魚 眼 中 心 夾 雜 物 的 直 徑 約 為 １６μm,由 EDS 分析可知其成分主要為 鋁 的 氧 化 物,夾 雜 物 周 圍 可 以 觀 察 到 粒 狀 亮 面 區(qū) (GBF). Shiozawa等[８]假定了一種 GBF 的形成機(jī)理,最初 多個(gè)微裂紋在夾雜物周圍萌生,接著在循環(huán)應(yīng)力作 用下沿碳化物擴(kuò)展,微裂紋長大并結(jié)合,進(jìn)而形成 GBF.隨后疲勞裂紋繼續(xù)擴(kuò)展形成了魚眼區(qū),直至 試樣最終失效. 由圖６可以看出,裂紋源位于試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)不 連續(xù)處,也表現(xiàn)出魚眼特征;魚眼的中心區(qū)域?yàn)閿?shù)個(gè) 微孔洞的集合,孔洞四周表面粗糙并有微裂紋產(chǎn)生.

２．３ 應(yīng)力比對起裂模式的影響

    對在應(yīng)力比為－１下疲勞斷裂的所有試樣的起 裂模式進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖７所示,▽表示試樣從 表面缺陷處起裂,▼表示試樣從內(nèi)部夾雜物處起裂, 半實(shí)心圖例表示試樣從內(nèi)部結(jié)構(gòu)不連續(xù)處起裂.由 圖７可知,隨著應(yīng)力幅的降低,試樣更傾向于從內(nèi)部 起裂;在低應(yīng)力幅水平下,試驗(yàn)結(jié)果的分散性較大,壽 命較短的試樣均從表面缺陷處起裂,這說明了在低應(yīng) 力幅水平下,疲勞試樣對表面加工狀態(tài)更加敏感.

    對三個(gè)應(yīng)力比下、疲勞壽命在〖10〗^7~〖10〗^8 周次試 樣的起裂模式進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),如圖８所示,三種應(yīng)力比 下起裂模式的發(fā)生數(shù)量及概率見表２.由圖８和表 ２可知,隨著應(yīng)力比的增大,超高周疲勞試樣從表面 起裂的概率增大,而從內(nèi)部起裂的概率降低;當(dāng)應(yīng)力 比為－１時(shí),試樣全部從內(nèi)部起裂,其中內(nèi)部結(jié)構(gòu)不 連續(xù)處起裂的概率為４０％,內(nèi)部夾雜物處起裂的概 率為６０％;當(dāng)應(yīng)力比為－０．６時(shí),試樣從表面起裂的 概率為３３％;而當(dāng)應(yīng)力比為０．１時(shí),試樣從表面起裂 的概率上升到了７１％. 與內(nèi)部相比,試樣表面受到的約束較小。

    且表面直接暴露在蒸汽環(huán)境下.Tokaji等[９]認(rèn)為潮濕環(huán)境 會促進(jìn)表面活化,導(dǎo)致裂紋在表面萌生,降低SＧN 曲線平臺應(yīng)力;隨著試驗(yàn)環(huán)境腐蝕性的增大,表面活 化更為強(qiáng)烈.當(dāng)應(yīng)力比為０．１時(shí),試樣沒有承受壓 應(yīng)力循環(huán),不存在裂紋閉合過程,其表面塑性損傷 大,因此相對于應(yīng)力比為－１和－０．６,蒸汽更容易 在表面缺陷處促進(jìn)微裂紋的萌生.因此,隨著應(yīng)力 比的提高試樣從表面起裂概率提高.。

     直接暴露在蒸汽環(huán)境下.Tokaji等[９]認(rèn)為潮濕環(huán)境 會促進(jìn)表面活化,導(dǎo)致裂紋在表面萌生,降低SＧN 曲線平臺應(yīng)力;隨著試驗(yàn)環(huán)境腐蝕性的增大,表面活 化更為強(qiáng)烈.當(dāng)應(yīng)力比為０．１時(shí),試樣沒有承受壓 應(yīng)力循環(huán),不存在裂紋閉合過程,其表面塑性損傷 大,因此相對于應(yīng)力比為－１和－０．６,蒸汽更容易 在表面缺陷處促進(jìn)微裂紋的萌生.因此,隨著應(yīng)力 比的提高試樣從表面起裂概率提高。

３ 結(jié) 論

    (１)在應(yīng)力比為－１,－０．６,０．１進(jìn)行疲勞試驗(yàn) 時(shí),Custom４５０不銹鋼的SＧN 曲線沒有出現(xiàn)水平 段,始終保持下降的變化趨勢;在１０７ 周次之后出現(xiàn) 明顯拐點(diǎn),該鋼的超高周疲勞壽命顯著下降。 (２)Custom４５０不銹鋼超高周疲勞試樣斷口 有三種起裂模式,裂紋源分別位于表面加工缺陷處、 內(nèi)部夾雜物處和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不連續(xù)處. (３)在應(yīng)力比為－１下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí),隨著應(yīng) 力幅的降低,試樣更傾向于從內(nèi)部起裂;不同應(yīng)力比 下三種起裂模式發(fā)生的數(shù)量和概率不同,隨著應(yīng)力比 的提高,表面起裂的概率增大,內(nèi)部起裂的概率降低。

（材料與測試網(wǎng)-機(jī)械工程材料 > 2017年 > 3期 > pp.29）