俞樹榮,程 月,何燕妮,宋 偉

(蘭州理工大學 石油化工學院,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,點蝕阻力當量數(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].國內(nèi)外學者針對SAF 2707HD材料性能研究做了大量的實驗.劉富強等[6]測試了變形量和固溶處理對SAF 2707HD的組織和性能影響.Eidhagen J等[7]對比了不同溫度下SAF 2707HD與SAF 2507的耐腐蝕性,并且列舉實例證明了SAF 2707HD的耐腐蝕性遠優(yōu)于SAF 2507.Zhang等[8]對SAF 2707HD在爐前溫度下的析出行為和相變進行了實驗,測出該材料的“鼻溫”為950°.Wang等[9]研究了σ相對SAF 2707HD短時效腐蝕的影響.在眾多研究中,卻未對SAF 2707HD的力學性能展開具體研究.彎曲疲勞實驗系統(tǒng)主要分為3種：簡支梁彎曲疲勞實驗系統(tǒng),懸臂梁彎曲疲勞實驗系統(tǒng)以及旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實驗系統(tǒng).但由于前兩種實驗方案與實際工況不太貼近.相比較之下,只有旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實驗方法才能完成被考核部位 360°全方位的加載,并且消除大量隨機因素的影響,與實際工況較為類似[10].因此,本文針對超級雙向不銹鋼SAF 2707HD,在循環(huán)周次107,應(yīng)力比R=-1的條件下,進行空氣下的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實驗,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 實驗材料與方法

選擇高合金化超雙相不銹鋼SAF 2707HD (00Cr27Ni7Mo5N)作為實驗材料,利用EDS能譜分析得到試樣化學成分見表1所列,符合ASTM A789-14標準要求.

表1 SAF 2707HD鋼的化學成分(質(zhì)量分數(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.

在室溫下進行拉伸實驗,測試材料熱處理后的基礎(chǔ)力學性能.結(jié)果如下：抗拉強度988 MPa,屈服強度700 MPa,伸長率51.4%,斷面收縮率69.44%.由于該材料在保持較高強度的同時兼有較高的韌性,故綜合力學性能優(yōu)良.

實驗機選用YAMAMOTO集團研發(fā)的多軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實驗機,依據(jù)GB/T 4337—2015進行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實驗.應(yīng)力比R=-1,轉(zhuǎn)速3 150 r/min,室溫20 ℃,試樣斷裂或循環(huán)達到107次,停止實驗.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)彎曲實驗試樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of rotating bending test specimen

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 S-N曲線

采用升降法[11]測定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)計算得到實驗鋼SAF 2707HD的空氣下疲勞強度為680 MPa,為抗拉強度的68%.

(1)

式中：n為有效數(shù)據(jù)點個數(shù)(破壞及越出數(shù)據(jù)點均計算在內(nèi))；m為實驗應(yīng)力水平級數(shù)；σi為第i級應(yīng)力水平；Vi為在第i級應(yīng)力水平的數(shù)據(jù)點個數(shù).

空氣下實驗鋼SAF 2707HD旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的S-N曲線如圖4所示.對應(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時均未達到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.第一部分數(shù)據(jù)為疲勞極限出現(xiàn)之前的實驗數(shù)據(jù),這一部分數(shù)據(jù)點離散度相對較大,但隨著應(yīng)力水平逐步下降,相對應(yīng)的疲勞壽命逐漸增加,曲線呈下降趨勢.另一部分數(shù)據(jù)為在應(yīng)力水平降為680 MPa時,數(shù)據(jù)點顯示試樣循環(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個區(qū)域,疲勞源區(qū)(A區(qū))、疲勞裂紋擴展區(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),能清晰的觀測到疲勞源處為放射狀擴展的疲勞形貌,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.

疲勞裂紋擴展區(qū)可分為兩個區(qū)域.B區(qū)的裂紋擴展較為遲緩,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,疲勞裂紋以準解理的穿晶方式進行延伸.C區(qū)域為裂紋擴展的第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)生了少量且細小的韌窩. 如圖5c所示,由于所在相的不同會導(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.當擴展至臨界長度時,裂紋會在此處發(fā)生嚴重塑性變形,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)與裂紋擴展區(qū)第1階段的面積相對較大,因而疲勞壽命也相對應(yīng)增加.對比最終瞬間斷裂區(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)的疲勞斷裂時疲勞源更為光滑.對該斷口的夾雜物進行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)量級時,多數(shù)裂紋源自表面萌生,并且偶爾伴隨多點萌生破壞的現(xiàn)象.而循環(huán)周次達到106數(shù)量級之后,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)計實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：此次進行的旋轉(zhuǎn)彎曲實驗中,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算過程

首先,使用ABAQUS對試樣創(chuàng)建三維模型.導(dǎo)入SAF 2707HD機械性能參數(shù).根據(jù)試樣受力情況對模型施加載荷,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.對試樣進行網(wǎng)格劃分,模型單元格類型為C3D8,節(jié)點數(shù)166 770,單元數(shù)145 920,如圖8所示.將設(shè)置好的模型進行運算得到該試樣的整體應(yīng)力分析. 其次,將ABAQUS計算結(jié)果導(dǎo)入FE-SAFE中,進行疲勞壽命仿真計算.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中進行分析.

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

3.2 計算結(jié)果與分析

圖9為利用ABAQUS計算得出的應(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,并且遠離中心方向逐漸降低.對比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).因此通過實驗所得S-N曲線可與模擬所得數(shù)據(jù)相互驗證準確性,并且證明該模型有限元模擬結(jié)果具有參考價值.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 實驗壽命與模擬壽命對比

4 結(jié)論

1) SAF 2707HD經(jīng)熱處理之后,在保持優(yōu)良綜合力學性能的前提下,具有較高的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強度.通過升降法測得該材料在空氣介質(zhì)下旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強度為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,裂紋自表面萌生；試樣高周疲勞斷裂時,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對試樣進行疲勞壽命分析,得到了相應(yīng)的疲勞壽命云圖.實驗所得壽命與模擬獲得壽命之間的誤差小于15%.證明了實驗所得S-N曲線與有限元模擬的準確性.