０ 引 言

Custom４５０沉淀硬化型不銹鋼是新近開發的 一種葉片鋼,具有高強度、高韌性,以及優良的耐腐 蝕性能[１];其強化機制主要為富銅相的時效強化和 鉬、鈮元素的沉淀強化[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展速率,發現氯化 鈉溶液pH 對其疲勞壽命的影響最大,而溫度對裂 紋擴展速率的影響最大;pH 對裂紋擴展速率的影 響比對疲勞強度的影響小,由此可見疲勞裂紋的萌 生相較于擴展更容易受到腐蝕環境的影響.目前對 于 Custom４５０不銹鋼的超高周疲勞性能尤其是在 模擬工況環境下的超高周疲勞性能及疲勞斷裂機制 研究還未見報道. 為此,作者根據汽輪機低壓葉片的實際工作環 境,在１００℃含氧量小于１mg??L－１的飽和蒸汽環境 下對 Custom４５０不銹鋼進行了不同應力比的超高 周疲勞試驗,得到了相應的超高周疲勞SＧN 曲線,

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

1.1 試樣制備

試驗鋼為 Custom４５０不銹鋼,化學成分如表１ 所示.按照 GB/T３０７５－２００８和 ASTM E４６６Ｇ０７,在 試驗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.為去除機加工 所造成的表面殘余壓應力,在疲勞試驗前將試樣置于 真空爐中進行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 型光學顯微鏡觀察熱 處理后試樣相鄰三個面的顯微組織,結果如圖２所 示,可知 Custom４５０不銹鋼經去應力退火處理后 的顯微組織為板條馬氏體組織,馬氏體組織均勻細 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.三個面的 顯微組織相似、板條馬氏體寬度相近,可以認為該不 銹鋼各向同性.

２ 試驗方法

    采用氮氣除氧及真空除氧相結合的方法使超純 水中氧含量小于１mg??L－１,然后利用蒸汽發生器產 生１００ ℃的飽和水蒸氣;在該飽和水蒸氣中,利用 PLGＧ１００C型高頻疲勞試驗機對試樣進行軸向等幅力 控制的疲勞試驗,載荷波形為正弦波,頻率為１２０Hz, 應力比R 分別為－１,－０．６,０．１.試驗完成后,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)分析其斷口微區的化學成分.

２ 試驗結果與討論

１ SＧN 曲線

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

    atdifferentstressratios 由圖３還可以看出,在應力比為－１時,疲勞壽 命 Nf 為108 周次試樣的疲勞強度是〖10〗^7 周次時的７１％,而應力 比 為 －０．６,０．１ 時,該 百 分 比 分 別 為 ６７％,４２％,可見應力比越高,疲勞強度的降幅越大. 由于汽輪機葉片承受載荷的疲勞循環次數往往超過107周次,因此若采用傳統疲勞理論對 Custom４５０ 不銹鋼進行壽命設計,則設計偏于危險.

3.2斷口形貌 

    試樣表面均未發現明顯點蝕坑,而部分經歷超 高周疲勞階段的試樣,由于其試驗時間超過１０d,表 面出現了輕微氧化.在對試樣疲勞斷口進行 SEM 觀察時未發現氧化膜的存在,EDS分析也未發現明 顯的氧含量上升,因此可以認為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發現有三種不同的起 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展,對 裂紋源位置進行 EDS分析可知,裂紋源沒有發現非 金屬夾雜物的存在;疲勞裂紋的擴展可分為兩個階 段,第一階段裂紋擴展區的表面較為平坦,可以觀察 到眾多解理臺階,第二階段裂紋擴展區呈放射狀河流花樣,并能觀察到斷續分布的疲勞輝紋. 

    由圖５可知,裂紋源位于試樣內部夾雜物處, 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 (GBF). Shiozawa等[８]假定了一種 GBF 的形成機理,最初 多個微裂紋在夾雜物周圍萌生,接著在循環應力作 用下沿碳化物擴展,微裂紋長大并結合,進而形成 GBF.隨后疲勞裂紋繼續擴展形成了魚眼區,直至 試樣最終失效. 由圖６可以看出,裂紋源位于試樣內部結構不 連續處,也表現出魚眼特征;魚眼的中心區域為數個 微孔洞的集合,孔洞四周表面粗糙并有微裂紋產生.

２．３ 應力比對起裂模式的影響

    對在應力比為－１下疲勞斷裂的所有試樣的起 裂模式進行了統計,結果如圖７所示,▽表示試樣從 表面缺陷處起裂,▼表示試樣從內部夾雜物處起裂, 半實心圖例表示試樣從內部結構不連續處起裂.由 圖７可知,隨著應力幅的降低,試樣更傾向于從內部 起裂;在低應力幅水平下,試驗結果的分散性較大,壽 命較短的試樣均從表面缺陷處起裂,這說明了在低應 力幅水平下,疲勞試樣對表面加工狀態更加敏感.

    對三個應力比下、疲勞壽命在〖10〗^7~〖10〗^8 周次試 樣的起裂模式進行了統計,如圖８所示,三種應力比 下起裂模式的發生數量及概率見表２.由圖８和表 ２可知,隨著應力比的增大,超高周疲勞試樣從表面 起裂的概率增大,而從內部起裂的概率降低;當應力 比為－１時,試樣全部從內部起裂,其中內部結構不 連續處起裂的概率為４０％,內部夾雜物處起裂的概 率為６０％;當應力比為－０．６時,試樣從表面起裂的 概率為３３％;而當應力比為０．１時,試樣從表面起裂 的概率上升到了７１％. 與內部相比,試樣表面受到的約束較小。

    且表面直接暴露在蒸汽環境下.Tokaji等[９]認為潮濕環境 會促進表面活化,導致裂紋在表面萌生,降低SＧN 曲線平臺應力;隨著試驗環境腐蝕性的增大,表面活 化更為強烈.當應力比為０．１時,試樣沒有承受壓 應力循環,不存在裂紋閉合過程,其表面塑性損傷 大,因此相對于應力比為－１和－０．６,蒸汽更容易 在表面缺陷處促進微裂紋的萌生.因此,隨著應力 比的提高試樣從表面起裂概率提高.。

     直接暴露在蒸汽環境下.Tokaji等[９]認為潮濕環境 會促進表面活化,導致裂紋在表面萌生,降低SＧN 曲線平臺應力;隨著試驗環境腐蝕性的增大,表面活 化更為強烈.當應力比為０．１時,試樣沒有承受壓 應力循環,不存在裂紋閉合過程,其表面塑性損傷 大,因此相對于應力比為－１和－０．６,蒸汽更容易 在表面缺陷處促進微裂紋的萌生.因此,隨著應力 比的提高試樣從表面起裂概率提高。

３ 結 論

    (１)在應力比為－１,－０．６,０．１進行疲勞試驗 時,Custom４５０不銹鋼的SＧN 曲線沒有出現水平 段,始終保持下降的變化趨勢;在１０７ 周次之后出現 明顯拐點,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、 內部夾雜物處和內部結構不連續處. (３)在應力比為－１下進行疲勞試驗時,隨著應 力幅的降低,試樣更傾向于從內部起裂;不同應力比 下三種起裂模式發生的數量和概率不同,隨著應力比 的提高,表面起裂的概率增大,內部起裂的概率降低。

（材料與測試網-機械工程材料 > 2017年 > 3期 > pp.29）