張羽飛 王 璐 方 正

（大連理工大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，大連 116024）

TP347H鋼（1Cr19Ni11Nb）是一種奧氏體不銹鋼，是在18Cr-8Ni不銹鋼的基礎(chǔ)上添加一定量的Nb元素。Nb是強(qiáng)碳化物形成元素，可以使合金具有較強(qiáng)的抗晶間腐蝕能力，同時(shí)具有更高的許用應(yīng)力和蠕變斷裂強(qiáng)度[1]。TP347H鋼由于其優(yōu)良的綜合性能，被廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)的高溫部件中。這些部件由于長(zhǎng)期處于惡劣的工作環(huán)境，同時(shí)受到多維應(yīng)力影響，常發(fā)生疲勞失效破壞，因此研究TP347H鋼的疲勞失效機(jī)理尤為重要?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，顯微組織對(duì)于材料疲勞性能具有重要影響。任文等[1]對(duì)TP347H末級(jí)過熱器爆管分析發(fā)現(xiàn)，材料原始組織存在缺陷，造成晶間腐蝕形成蠕變孔洞，最后生成蠕變裂紋導(dǎo)致斷裂。潘平偉等[2]研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，平均晶粒尺寸逐漸增大，高溫屈服強(qiáng)度逐漸下降，說明細(xì)晶強(qiáng)化是影響高溫屈服強(qiáng)度的主要因素。李健等[3]研究TP347H鋼管在焊接及服役過程發(fā)現(xiàn)，含鈮析出強(qiáng)化相在晶內(nèi)出現(xiàn)，導(dǎo)致晶內(nèi)及晶界強(qiáng)度匹配失衡，在晶界處產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致沿晶開裂。本文以TP347H鋼為研究對(duì)象進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，采用宏觀與微觀相結(jié)合的方式，跟蹤觀測(cè)疲勞裂紋，研究裂紋萌生、擴(kuò)展行為規(guī)律，以及顯微組織對(duì)疲勞裂紋的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文實(shí)驗(yàn)材料為TP347H鋼，為了避免材料間存在差異，實(shí)驗(yàn)室購(gòu)進(jìn)多根同批1 m×18 mm的圓柱形實(shí)心TP347H鋼管，經(jīng)過X射線熒光光譜（X Ray Fluorescence，XRF）分析其化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示。材料的化學(xué)元素含量均符合標(biāo)準(zhǔn)ASTM A213[4]中TP347H鋼的化學(xué)成分要求。

表1 實(shí)驗(yàn)材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.2 試件制備

根據(jù)疲勞試驗(yàn)機(jī)的夾持要求，按照GB/T 15248—2008[5]將材料加工成標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件?，F(xiàn)有研究表明，疲勞裂紋一般從應(yīng)力集中處開始萌生擴(kuò)展。為了便于疲勞裂紋的跟蹤與觀測(cè)，在試件中央處加工出一個(gè)圓弧形缺口。標(biāo)準(zhǔn)試件在軸向交替載荷的作用下，在缺口處產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，發(fā)生疲勞失效破壞。加工缺口可以人為使疲勞裂紋落于缺口處，縮小疲勞裂紋的跟蹤范圍，提高實(shí)驗(yàn)效率。試件的加工圖紙如圖1所示，其中數(shù)據(jù)單位為mm。

圖1 試件尺寸設(shè)計(jì)圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在MTS 100 kN疲勞試驗(yàn)機(jī)及圖像跟蹤采集系統(tǒng)上完成。疲勞試驗(yàn)常用的循環(huán)載荷控制方式為應(yīng)力控制與應(yīng)變控制，即在實(shí)驗(yàn)過程中保持循環(huán)應(yīng)力幅值與循環(huán)應(yīng)變幅值不變。當(dāng)試件所受應(yīng)力水平較高時(shí)，材料進(jìn)入塑性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變變化不再保持線性關(guān)系。在循環(huán)加載及卸載過程中，應(yīng)力變化較大，不利于控制。因此，本文選擇應(yīng)變控制，應(yīng)變幅為0.2%，波形為正弦波，加載頻率f=0.5 Hz，加載比R=-1，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為室溫。

實(shí)驗(yàn)采用定期中斷的方法，在金相顯微鏡下觀察并記錄疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展規(guī)律。同時(shí)，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，試件所受應(yīng)力幅值會(huì)逐漸降低并很快斷裂失效，對(duì)引伸計(jì)造成破壞。因此，定義試件應(yīng)力幅值下降到初試應(yīng)力幅值的75%，即為試件失效，終止實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖2為TP347H鋼電解浸蝕后的顯微組織圖。可知，顯微組織主要為奧氏體組織、析出相及部分可見孿晶。經(jīng)測(cè)量，奧氏體晶粒的平均直徑約為35 μm。

圖2 TP347H鋼顯微組織

2.2 疲勞裂紋萌生

疲勞源是疲勞破壞的起點(diǎn)，一般位于材料內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域或高應(yīng)力區(qū)域，如孔洞、夾雜、晶界等。這些區(qū)域由于應(yīng)力集中的作用，會(huì)促進(jìn)疲勞裂紋的萌生[6-7]。疲勞初期，在金相顯微鏡下對(duì)不同位置萌生的12條裂紋進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，如圖3所示。

圖3 疲勞裂紋萌生位置

2.3 疲勞裂紋擴(kuò)展

疲勞裂紋的擴(kuò)展過程可以劃分為初始擴(kuò)展、穩(wěn)定擴(kuò)展和快速擴(kuò)展3個(gè)階段。萌生階段結(jié)束后，初始疲勞裂紋在切應(yīng)力作用下，沿與載荷軸呈45°方向開始擴(kuò)展，之后在晶界的阻礙作用下，擴(kuò)展方向逐漸垂直于主應(yīng)力方向。開始時(shí)，疲勞裂紋沿晶擴(kuò)展，很快會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚U(kuò)展。當(dāng)裂紋尖端到達(dá)晶界時(shí)，可能會(huì)發(fā)生裂紋暫時(shí)性止裂現(xiàn)象。Zhai等[8]提出裂紋面和晶界之間的偏轉(zhuǎn)角是決定小裂紋擴(kuò)展路徑和擴(kuò)展速率的關(guān)鍵因素。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角過大時(shí)，裂紋可能會(huì)發(fā)生暫時(shí)性止裂或者分叉。

疲勞裂紋繼續(xù)擴(kuò)展時(shí)，擴(kuò)展的方式不再局限于獨(dú)立向兩端擴(kuò)展，而是在相鄰裂紋的作用影響下發(fā)生裂紋合體行為。疲勞裂紋的合體行為貫穿疲勞裂紋擴(kuò)展過程的始終，并在疲勞裂紋擴(kuò)展后期成為擴(kuò)展的主要方式。在疲勞裂紋擴(kuò)展過程中，通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，兩種不同類型的裂紋合體行為，根據(jù)發(fā)生的時(shí)間、裂紋的長(zhǎng)度以及橫向間距分為Ⅰ型合體行為和Ⅱ型合體行為。Ⅰ型合體行為常發(fā)生在疲勞裂紋擴(kuò)展前中期，此時(shí)疲勞裂紋長(zhǎng)度較短，當(dāng)兩條裂紋橫向間距較小時(shí)，由于疲勞裂紋尖端應(yīng)力集中嚴(yán)重，兩條裂紋尖端幾乎呈直線連接在一起。Ⅱ型合體行為發(fā)生在疲勞裂紋擴(kuò)展中后期，此時(shí)兩條裂紋沿軸向部分重疊，橫向間距較大，裂紋間彼此產(chǎn)生應(yīng)力松弛效應(yīng)，裂紋尖端應(yīng)力集中下降，裂紋擴(kuò)展進(jìn)程緩慢，在裂紋間產(chǎn)生大片的塑形損傷區(qū)域。

在疲勞裂紋擴(kuò)展過程中，由于相鄰裂紋間的干涉作用而產(chǎn)生應(yīng)力松弛效應(yīng)，只有部分裂紋能夠穿過多個(gè)晶粒逐步擴(kuò)展成主裂紋，其他微裂紋一般擴(kuò)展緩慢，最終停止擴(kuò)展，如圖5的裂紋A所示。

圖4 裂紋合體行為

圖5 裂紋形貌

主裂紋在擴(kuò)展過程中會(huì)發(fā)生裂紋分叉，生成沿不同方向的分支裂紋。這些分支裂紋并不會(huì)持續(xù)擴(kuò)展，但是分支裂紋會(huì)分散裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)。擴(kuò)展過程會(huì)消耗更多能量，從而對(duì)主裂紋的擴(kuò)展起到抑制作用。在裂紋進(jìn)行穿晶擴(kuò)展時(shí)，裂紋表面附近易呈輕微翻出狀，產(chǎn)生大量的滑移帶?；茙c加載方向約45°形成樹杈狀形貌，在產(chǎn)生過程中會(huì)消耗大量的能量，抑制主裂紋的擴(kuò)展。

2.4 顯微組織對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響

顯微組織結(jié)構(gòu)對(duì)疲勞裂紋的擴(kuò)展具有很大影響。疲勞裂紋擴(kuò)展路徑往往呈鋸齒形，即晶體學(xué)裂紋形貌。使用ImageJ Simple Neurite Tracer插件[9]對(duì)裂紋進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于垂直于主應(yīng)力方向裂紋長(zhǎng)度，實(shí)際裂紋長(zhǎng)度增加20%～30%。裂紋擴(kuò)展路徑曲折程度增加，意味著相同條件下吸收的應(yīng)變能增加，可在一定程度上減緩裂紋的擴(kuò)展速率[10]。因此，研究疲勞裂紋擴(kuò)展路徑的走向，增加裂紋實(shí)際擴(kuò)展路徑長(zhǎng)度對(duì)抑制疲勞裂紋的擴(kuò)展和提高材料疲勞壽命具有重要的意義。

對(duì)疲勞裂紋穿晶擴(kuò)展進(jìn)行分析，疲勞裂紋在穿過晶粒時(shí)并非都呈直線型擴(kuò)展，而是在穿過某些晶界時(shí)會(huì)發(fā)生偏折改變裂紋擴(kuò)展方向。研究表明，相鄰晶粒的取向?qū)τ诹鸭y的擴(kuò)展路徑具有重要影響[8]。疲勞裂紋在晶粒中總是沿著有利的滑移面進(jìn)行擴(kuò)展。當(dāng)疲勞裂紋在一晶粒內(nèi)沿有利滑移面擴(kuò)展到晶界時(shí)，相鄰晶粒有利滑移面方向發(fā)生改變，導(dǎo)致裂紋會(huì)在晶界處發(fā)生偏折后進(jìn)入相鄰晶粒。如果相鄰晶粒中有利滑移面夾角較大，則裂紋會(huì)沿著晶界擴(kuò)展并轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后進(jìn)入下一晶粒，沿著有利的滑移面繼續(xù)擴(kuò)展。圖7為裂紋穿晶擴(kuò)展的圖片以及在晶界處偏折的示意圖。示意圖中，裂紋從晶粒1向晶粒2擴(kuò)展，在晶界平面發(fā)生偏折。γ表示相鄰晶粒中裂紋擴(kuò)展面的偏折角度，θ表示裂紋在晶界平面上的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，三角形aob表示裂紋在晶界平面上的擴(kuò)展面積。可以得出，該三角形面積越大，疲勞裂紋穿過晶界時(shí)所受的阻力越大。

圖6 裂紋穿晶擴(kuò)展

3 結(jié)語(yǔ)

（1）疲勞裂紋一般萌生于材料內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域或應(yīng)力集中區(qū)域，開始時(shí)主要受切應(yīng)力作用影響，沿與載荷軸呈45°方向擴(kuò)展，之后擴(kuò)展方向逐漸垂直于主應(yīng)力方向。

（2）疲勞裂紋繼續(xù)擴(kuò)展后，相鄰裂紋之間會(huì)發(fā)生合體行為。根據(jù)行為發(fā)生的時(shí)間、裂紋的長(zhǎng)度以及橫向間距，可以分為兩種不同的類型：Ⅰ型合體行為常發(fā)生在疲勞裂紋擴(kuò)展前中期，此時(shí)疲勞裂紋長(zhǎng)度較短，兩條裂紋橫向間距較小，兩條裂紋尖端在集中應(yīng)力的作用下幾乎呈直線連接在一起；Ⅱ型合體行為發(fā)生在疲勞裂紋擴(kuò)展中后期，此時(shí)兩條裂紋沿軸向部分重疊，橫向間距較大，裂紋尖端應(yīng)力松弛，裂紋擴(kuò)展進(jìn)程緩慢，在裂紋間產(chǎn)生大片的塑形損傷區(qū)域。

（3）相鄰裂紋間由于干涉作用導(dǎo)致部分裂紋擴(kuò)展緩慢甚至不擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展過程中會(huì)產(chǎn)生分支裂紋與滑移帶，且產(chǎn)生過程會(huì)消耗大量能量，抑制主裂紋的擴(kuò)展。

（4）顯微組織結(jié)構(gòu)對(duì)疲勞裂紋的擴(kuò)展具有很大影響，相比于垂直于主應(yīng)力方向裂紋長(zhǎng)度，實(shí)際裂紋長(zhǎng)度增加20%～30%。受顯微組織影響，裂紋擴(kuò)展路徑曲折程度增加。疲勞裂紋在晶粒中總是沿著有利的滑移面進(jìn)行擴(kuò)展，當(dāng)疲勞裂紋進(jìn)行穿晶擴(kuò)展時(shí)，由于晶界兩端晶粒的滑移系取向不同，裂紋會(huì)在晶界處發(fā)生偏折后進(jìn)入相鄰晶粒，沿著有利的滑移面繼續(xù)擴(kuò)展。如果相鄰晶粒中有利滑移面夾角較大，則裂紋會(huì)沿著晶界擴(kuò)展并轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后再進(jìn)入下一晶粒。