吳啟舟，李江華，緱之飛，金 丹

(沈陽(yáng)化工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110142)

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022Cr17Ni12Mo2不銹鋼缺口試樣的疲勞壽命預(yù)測(cè)

吳啟舟，李江華，緱之飛，金 丹

(沈陽(yáng)化工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110142)

摘要：對(duì)022Cr17Ni12Mo2不銹鋼光滑和缺口試樣進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)及應(yīng)力控制的低周疲勞試驗(yàn)，并采用Neuber律、Peterson方法和基于試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算的疲勞缺口系數(shù)進(jìn)行了疲勞壽命預(yù)測(cè)。結(jié)果表明：022Cr17Ni12Mo2不銹鋼具有明顯的缺口效應(yīng)和良好的塑性，缺口效應(yīng)在低應(yīng)力水平下更為明顯；在不同應(yīng)力水平下不銹鋼均表現(xiàn)出了循環(huán)硬化現(xiàn)象，且隨著應(yīng)力幅值的增加其循環(huán)硬化更為明顯；Neuber律和Peterson方法得到的疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果均偏于保守，基于試驗(yàn)結(jié)果的疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：022Cr17Ni12Mo2不銹鋼；低周疲勞；缺口試樣；疲勞壽命預(yù)測(cè)

0引言

在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中不可避免地存在著鍵槽、螺紋孔等缺陷(統(tǒng)稱為缺口)，從而帶來(lái)明顯的應(yīng)力集中，疲勞裂紋往往在此處萌生，缺口件疲勞性能研究正日益引起各國(guó)學(xué)者的重視。022Cr17Ni12Mo2不銹鋼(對(duì)應(yīng)美國(guó)牌號(hào)316L)具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度,良好的加工硬化、塑性、焊接性、耐腐蝕性等綜合性能，被廣泛應(yīng)用于造船以及石油化工等行業(yè)。

目前，針對(duì)316L不銹鋼光滑件的疲勞性能已開(kāi)展了一定的研究。Roy等[1-2]通過(guò)常溫單軸低周疲勞試驗(yàn)及顯微組織分析發(fā)現(xiàn)，316L不銹鋼在循環(huán)初期表現(xiàn)為循環(huán)硬化，隨后軟化、飽和直至失效；Kim等[3-4]對(duì)316L和316LN不銹鋼進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，得出疲勞壽命、蠕變疲勞壽命以及峰值應(yīng)力隨氮含量增加而增大的結(jié)論；有限元分析為研究材料疲勞性能提供了一個(gè)新的途徑，蔣春松等[5]利用ABAQUS軟件對(duì)316L不銹鋼構(gòu)件的彎曲微動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬計(jì)算，采用多軸疲勞準(zhǔn)則Smith-Watson-Topper(SWT)參數(shù)模型預(yù)測(cè)了彎曲微動(dòng)裂紋萌生的位置和構(gòu)件的疲勞壽命。已有的316L不銹鋼的疲勞性能研究大都局限于光滑試樣，有關(guān)缺口對(duì)其疲勞性能的影響研究相對(duì)較少，且集中在缺口對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展行為影響的研究方面[6]。

為此，作者針對(duì)022Cr17Ni12Mo2不銹鋼光滑和缺口試樣進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)和應(yīng)力比為0的應(yīng)力控制低周疲勞試驗(yàn)，得到了不同應(yīng)力水平下的應(yīng)力-壽命曲線，并采用Neuber律、Peterson方法和基于試驗(yàn)得到的疲勞缺口系數(shù)Kf計(jì)算損傷參量，進(jìn)行缺口試樣疲勞壽命預(yù)測(cè)。

1試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1　試樣制備

試驗(yàn)材料為太鋼不銹鋼股份有限公司生產(chǎn)的022Cr17Ni12Mo2不銹鋼，其化學(xué)成分如表1所示，熱處理狀態(tài)為冷軋態(tài)，屈服強(qiáng)度σs為342 MPa，抗拉強(qiáng)度σb為607 MPa，斷面收縮率ψ為68%，彈性模量E為200 GPa。

在不銹鋼板上截取光滑試樣和缺口試樣，其形狀和尺寸見(jiàn)圖1，厚度為1 mm。缺口試樣的理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt為2.4。

1.2　試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 228-2002，在EUT-1020型疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行光滑和缺口試樣的室溫拉伸試驗(yàn)，加載速度為0.008 kN·s-1，做2組試驗(yàn)取平均值；隨后根據(jù)GB/T 15248-2008，對(duì)光滑和缺口試樣進(jìn)行相同條件下應(yīng)力控制的拉-拉疲勞試驗(yàn)，波形為三角波，周期4 s，設(shè)置最小載荷為0 kN(即應(yīng)力比R為0)，最大載荷分別為1.4，1.3，1.2，1.1，1.0，0.9，0.8，0.7 kN，以試樣斷裂作為疲勞失效依據(jù)，記錄最大循環(huán)周次，以此作為疲勞壽命。試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表2所示。

表1　試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1　Chemical composition of experimental steel (mass)　%

圖1　不同試樣的形狀和尺寸Fig.1　Shapes and dimensions of smooth (a) and notched (b) specimens

表2　光滑和缺口試樣的試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果Tab.2　Experimental parameters and results of smoothand notched specimens

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　拉伸性能

由圖2可見(jiàn)，缺口試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為360 MPa和632 MPa，而光滑試樣的分別為335 MPa和598 MPa，可見(jiàn)由于受到缺口效應(yīng)的影響，出現(xiàn)了缺口強(qiáng)化，使得缺口試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均高于光滑試樣的；在應(yīng)力-應(yīng)變曲線后期，應(yīng)力均隨應(yīng)變的增加而下降，試樣在斷裂前均出現(xiàn)了頸縮現(xiàn)象，說(shuō)明022Cr17Ni12Mo2不銹鋼具有良好的塑性。

圖2　不同試樣的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2　Engineering stress-strain curve for notched specimen

2.2　拉-拉疲勞性能

2.2.1S-N曲線

從圖3中可以看到，光滑和缺口試樣的S-N曲線并不平行，可見(jiàn)不同應(yīng)力水平下缺口效應(yīng)并不相同。材料在交變載荷作用下，會(huì)發(fā)生疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，直至斷裂；在較高循環(huán)應(yīng)力作用下，材料的疲勞壽命較低，裂紋擴(kuò)展壽命占總壽命比例較大。022Cr17Ni12Mo2不銹鋼的塑性較好，在高的交變應(yīng)力作用下，缺口根部會(huì)產(chǎn)生明顯的塑性變形，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，因此應(yīng)力集中的影響相對(duì)減小，表現(xiàn)為在高應(yīng)力水平下兩種試樣的S-N曲線有相交的趨勢(shì)；而在較低的交變應(yīng)力作用下，缺口效應(yīng)明顯，疲勞壽命降低顯著，疲勞強(qiáng)度因子較大，這一結(jié)論與文獻(xiàn)[7]的相一致。

圖3　光滑試樣和缺口試樣S-N曲線Fig.3　S-N curves of smooth and notched specimens

光滑試樣S-N曲線擬合公式如下：

(1)

式中：σmax為最大循環(huán)應(yīng)力；Nf為疲勞壽命。

缺口試樣S-N曲線擬合公式如下：

(2)

用式(1)除以式(2)得到缺口試樣疲勞強(qiáng)度因子與疲勞壽命的關(guān)系式為:

(3)

式中：K′為缺口試樣疲勞強(qiáng)度因子。

由式(3)擬合得到的曲線如圖4所示。由圖4可以看到，缺口試樣的疲勞強(qiáng)度因子隨著疲勞壽命的增加而增大。

圖4　缺口試樣疲勞強(qiáng)度因子與疲勞壽命的關(guān)系Fig.4　Relation between fatigue strength factor and fatigue lifeof notched specimen

2.2.2循環(huán)硬化特性

由圖5可知，在三種交變應(yīng)力作用下缺口試樣的應(yīng)變均先隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小，表現(xiàn)出循環(huán)硬化的特性；當(dāng)循環(huán)60周次時(shí)應(yīng)變達(dá)到穩(wěn)定。在0～320 MPa交變應(yīng)力作用下，循環(huán)硬化的應(yīng)變范圍Δε為0.017 6%；當(dāng)交變應(yīng)力為0～360 MPa時(shí)，Δε為0.019 3%；0～442 MPa時(shí)，Δε為0.024 0%。可見(jiàn),隨著交變應(yīng)力增大，其由初始的循環(huán)硬化達(dá)到循環(huán)穩(wěn)定時(shí)的應(yīng)變范圍增大，說(shuō)明循環(huán)硬化更明顯。

圖5　缺口試樣應(yīng)變-循環(huán)次數(shù)曲線Fig.5　Strain vs number of cycles for notched specimens

3疲勞壽命預(yù)測(cè)

3.1　損傷計(jì)算方法

在局部應(yīng)力-應(yīng)變分析中，Neuber律[8]以其簡(jiǎn)單性被工程界廣泛應(yīng)用，表達(dá)式為：

(4)

(5)

(6)

式中：Kt為理論應(yīng)力集中系數(shù)；ΔS，Δe分別為名義應(yīng)力和名義應(yīng)變；Δσ和Δε分別為應(yīng)力集中處的局部應(yīng)力和局部應(yīng)變。

結(jié)合Ramberg-Osgood方程，即可確定缺口根部的局部應(yīng)力和應(yīng)變范圍：

(7)

式中:n′為循環(huán)硬化指數(shù);K為循環(huán)硬化系數(shù);E為材料彈性模量。

Neuber律在使用過(guò)程中通常會(huì)得到偏于安全的預(yù)測(cè)結(jié)果，采用疲勞缺口系數(shù)Kf代替Kt，得到修正Neuber律：

(8)

計(jì)算Kf的方法較多，作者采用了Peterson公式[9]：

(9)

(10)

式中：ρ為缺口半徑；a′為與拉伸應(yīng)力值相關(guān)的材料常數(shù)；σb為材料的抗拉強(qiáng)度。

由式(9)計(jì)算得到疲勞缺口系數(shù)為1.7。

疲勞缺口系數(shù)被定義為疲勞試驗(yàn)中光滑試樣與缺口試樣的疲勞極限之比，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果及式(1)和(2)，將105周次作為試驗(yàn)鋼的無(wú)限疲勞壽命[10]，得到光滑試樣和缺口試樣的疲勞極限值之比,即試驗(yàn)得到的疲勞缺口系數(shù)為1.2。

3.2　疲勞壽命預(yù)測(cè)

考慮缺口局部平均應(yīng)力影響，采用基于應(yīng)力疲勞的Manson-Coffin公式[11]：

(11)

式中：σm為平均應(yīng)力；K取2 850 MPa；n′取0.38;a和d為疲勞相關(guān)參數(shù)，分別為1 234.2 MPa和-0.17。

由于試驗(yàn)條件有限，試驗(yàn)中只獲得了疲勞失效壽命?；谖墨I(xiàn)[12-13]，可認(rèn)為022Cr17Ni12Mo2不銹鋼缺口試樣的裂紋萌生壽命約為總壽命的62%。

根據(jù)計(jì)算和試驗(yàn)的Kf進(jìn)行損傷參量計(jì)算，結(jié)合式(11)對(duì)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖6所示，可見(jiàn)，Neuber律的預(yù)測(cè)結(jié)果普遍偏低。022Cr17Ni12Mo2不銹鋼具有良好的塑性，缺口效應(yīng)對(duì)疲勞壽命的降低程度較小，因此采用理論應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算缺口處的應(yīng)力、應(yīng)變值必然高估了疲勞損傷程度；采用Peterson方法的預(yù)測(cè)結(jié)果較Neuber律的有所改善，但預(yù)測(cè)結(jié)果偏于保守的趨勢(shì)依然存在；采用試驗(yàn)確定的Kf預(yù)測(cè)的疲勞壽命比Peterson方法的更準(zhǔn)確，其預(yù)測(cè)結(jié)果均位于兩倍分散帶內(nèi)。

圖6　三種方法下疲勞壽命的預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.6　Life prediction results by the three methods

4結(jié)論

(1) 022Cr17Ni12Mo2不銹鋼缺口試樣在拉伸試驗(yàn)中表現(xiàn)出了明顯的缺口效應(yīng)，缺口使得試樣的強(qiáng)度提高，不銹鋼具有良好的塑性。

(2) 在低交變應(yīng)力循環(huán)下缺口效應(yīng)對(duì)022Cr17Ni12Mo2不銹鋼疲勞壽命的影響更為明顯；在不同應(yīng)力水平下，不銹鋼均發(fā)生了循環(huán)硬化，且隨著載荷幅值的增加，循環(huán)硬化程度增大。

(3) 采用Neuber律得到的疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果過(guò)于保守，Peterson方法的預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)于Neuber律的有所改善，但結(jié)果仍偏于保守；采用試驗(yàn)所得疲勞缺口系數(shù)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，得到了比Peterson方法更為準(zhǔn)確的結(jié)果，預(yù)測(cè)結(jié)果均位于兩倍分散帶內(nèi)。

參考文獻(xiàn)：

[1]ROY S C, GOYAL S, SANDHYA R, et al. Analysis of hysteresis loops of 316L(N) stainless steel under low cycle fatigue loading conditions[J]. Procedia Engineering, 2013,55: 165-170.

[2]ROY S C, GOYAL S,SANDHYA R, et al. Low cycle fatigue life prediction of 316L(N) stainless steel based on cyclic elasto-plastic response[J]. Nuclear Engineering and Design, 2012,253:219-225.

[3]KIM D W, CHANG J H, RYU W S.Evaluation of the creep-fatigue damage mechanism of type 316L and type 316LN stainless steel[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2008,85(6): 378-384.

[4]KIM J W, BYUN T S. Analysis of tensile deformation and failure in austenitic stainless steels: Part I-temperature dependence[J]. Journal of Nuclear Materials,2010,396(1):1-9.

[5]蔣春松,彭金方,沈明學(xué),等.316L不銹鋼構(gòu)件彎曲微動(dòng)的有限元模擬及其疲勞壽命預(yù)測(cè)[J].機(jī)械工程材料, 2013,37(8):80-84.

[6]馮剛,宮大為,張朝閣,等.316L不銹鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展行為試驗(yàn)[J].鋼鐵, 2014,49(6):74-78.

[7]虞忠良,趙永慶,周廉,等.TC21合金315 ℃高周疲勞光滑和缺口試樣斷口分析[J].材料工程, 2007(7):55-58.

[8]NEUBER H. Theory of stress concentration for shear-strained prismatic bodies with arbitrary nonlinear stress-strain law[J]. Journal of Applied Mechanics, 1961,28(4): 544-550.

[9]PETERSON R E. Notch Sensitivity[M]∥SINES G, WAISMAN J L. Metal Fatigue. New York: McGraw Hill, 1959: 293-306.

[10]李源,韓旭,劉杰,等.一種基于耗散能計(jì)算的高周疲勞參數(shù)預(yù)測(cè)方法[J].力學(xué)學(xué)報(bào), 2013,45(3):367-373.

[11]張國(guó)棟,蘇彬,王泓,等.K403合金高溫低周應(yīng)變疲勞壽命預(yù)測(cè)方法研究[J].機(jī)械強(qiáng)度, 2004,26(S1):263-266.

[12]SONG P S, SHIEH Y L. Stop drilling procedure for fatigue life improvement[J]. International Journal of Fatigue, 2004,26(12):1333-1339.

[13]金丹,田大將,王巍,等.非比例載荷下缺口件疲勞壽命預(yù)測(cè)[J].工程力學(xué), 2014,31(10):212-215,221.

Fatigue Life Prediction of Notched Specimen for 022Cr17Ni12Mo2 Stainless Steel

WU Qi-zhou, LI Jiang-hua, GOU Zhi-fei, JIN Dan

(School of Energy and Power Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)

Abstract:The tensile tests and low cycle fatigue tests controlled by stress were conducted for smooth and notched specimens of 022Cr17Ni12Mo2 stainless steel. The fatigue notch factor obtained by Neuber′s rule, Peterson′s approach and the test results respectively was used to predict the fatigue life. The results show that the stainless steel presented an obvious notch effect and excellent ductility, and the notch effect was more obvious at lower stress level. The cyclic hardening phenomenon was observed at different stress levels and become more and more obvious with the increase of stress amplitude. The prediction results of fatigue life from Neuber′s rule and Peterson′s approach were both conservative, and that based on the test results was more accurate.

Key words:022Cr17Ni12Mo2 stainless steel; low cycle fatigue; notched specimen; fatigue life prediction

通訊作者(導(dǎo)師)：王硯軍教授 (導(dǎo)師)：何宇廷教授

作者簡(jiǎn)介：韓田田(1990-)，女，山東濟(jì)南人，碩士研究生。 張浩宇(1993-)，男，山西忻州人，碩士研究生。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275208) 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475470)

收稿日期:2015-03-20； 2015-06-19；

修訂日期:2015-09-25 2015-10-05

DOI:10.11973/jxgccl201512015 10.11973/jxgccl201512014

中圖分類(lèi)號(hào)：TH142.2；TG174.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-3738(2015)12-0055-04