超級雙相不銹鋼S32760 疲勞性能研究

王旺龍，宋 偉

（蘭州理工大學石油化工學院，甘肅 蘭州 730050）

超級雙相不銹鋼屬于第四代雙相不銹鋼，是第四代雙相不銹鋼的代表鋼種之一，廣泛應用于石油輸送管道、承壓設備、氯堿工業、化肥生產、海水淡化設備、核電火電以及海洋工程等領域。目前已被收錄在相關不銹鋼標準中，作為工業生產備用不銹鋼[1]。當前對S32760 的研究集中在熱處理工藝、焊接工藝、成分組織、和耐腐蝕性方面，對工程領域中涉及的疲勞性能研究較少。文章測定了超級雙相不銹鋼S32760 在空氣中的S-N 曲線和疲勞極限，在掃描電鏡（SEM）下對疲勞斷口進行微觀檢測，研究其疲勞失效機理，為S32760 不銹鋼結構件進行抗疲勞設計、疲勞壽命預測提供可靠的理論依據。

1 實驗材料與方法

選取超級雙相不銹鋼S32760 熱軋鋼板作為實驗基材，金相顯微檢測可知：軋面上，鐵素體組織約占45%，奧氏體組織約占55%；軋面的垂直面上，前者約占40%，后者約占60%。在疲勞試驗開始之前，分別對板材長寬兩個方向的力學性能進行了測量，最終選擇力學性能更好的長邊方向作為旋轉彎曲試樣的軸向加工方向，長邊方向的屈服強度為980MPa，拉伸強度為1030MPa。

疲勞試驗在YRB-200 旋轉彎曲疲勞機上進行，設備轉速為3130r/min，通過調整加載砝碼獲取所需應力。應力增量選用最大值，即5%的拉伸強度，取整為20MPa[2]。采用小子樣升降法來測量材料的疲勞極限，試驗循環基數取107。在每個應力下進行4 組實驗作為S-N 曲線的數據，材料的應力壽命曲線采用單對數坐標繪制。

2 實驗結果

2.1 疲勞極限

升降圖如圖1 所示，共有14 個數據點，從出現第一組不同的結果算起，可以組成六個對子數，即540-560MPa 有4 組，560-580MPa 有2 組。實驗結果中疲勞極限的處理采用升降法測定疲勞極限來進行[3]。

圖1 載荷升降圖

疲勞極限：

疲勞極限的標準差：

變異系數：

變異系數為0.0083，符合置信度為95%，誤差為5%時，所需的半子樣為3，即6 個有效數據點。本實驗中有12 個有效數據點，符合實驗精度對樣品數目的要求。

2.2 S-N 圖

超級雙相不銹鋼S32760 在室溫常壓條件下的S-N 曲線如圖2 所示。在單對數坐標上，疲勞曲線呈直線分布，在Origin 中擬合出其冪函數表達式為S=1055.46285-0.04136，決定系數R2為0.55353。

圖2 空氣中的S-N 圖

3 結果分析

3.1 斷口分析

如圖3 所示，雙相不銹鋼S32760 的疲勞斷口分為疲勞源區A，裂紋擴展第I 階段B 和第II階段C）和瞬斷區D。有多個疲勞源的斷口，也有單一疲勞源的斷口。裂紋擴展區占了整個斷口的絕大多數部分，瞬斷區占比較小，表明其強度較高。

疲勞源來自鋼鐵生產過程中的夾渣和夾雜物。夾渣容易在鋼鐵內部形成連續的微小疏孔，甚至會在材料中形成較大的溝槽，直接造成材料的應力集中效應，促使裂紋過早出現并向著材料內部進一步擴展。夾雜物與組成材料的基體在彈塑性等力學性能上存在著差異，但一般都與材料基體有著較強的結合力。疲勞載荷作用下，雖然存在脫離基體的傾向，但仍需經過大量的循環夾雜物才會使其產生脫離基體的而導致裂紋產生。因此，對雙相不銹鋼的疲勞來說，夾渣及其造成的顯微疏孔比夾雜物更容易誘發裂紋產生，更容易成為疲勞源，危害性更高，這一點從圖1 中的疲勞裂紋擴展過程就可以看出，疲勞源1 和2 引起的疲勞裂紋擴展區幾乎占據了全部擴展區，裂紋源3 萌生的裂紋未進入裂紋擴展區就與擴展來的裂紋匯合而停止擴展，這是疲勞源3 遲于疲勞源1和2 起裂的緣故。

圖3 空氣中的疲勞斷口（σ=580MPa，N=2331730）

疲勞裂紋擴展第I 階段的斷面上存在著兩種截然不同的斷貌，一種是解理斷面，另一種是滑移斷面，這與雙相不銹鋼的金相組織分布有關。通過能譜分析，圖4 中1 處為滑移斷裂，鉻鎳質量比為3.05，屬于奧氏體相組織；2 處滑移斷裂，鉻鎳質量比為5.97，屬于鐵素體相組織；3 處為解理斷裂，經能譜檢測該處組織鉻鎳質量比為6.04，屬于鐵素體相組織；4 處解理斷裂，鉻鎳質量比為8.84，且此處的含氮量為0，屬于二次金相σ 相組織；5 處解理斷裂，鉻鎳質量比為5.81，屬于鐵素體相組織[6]。與裂紋進入第II 擴展階段相比，這時的二次裂紋長度短、深度淺，方向多變。韌窩并沒有出現，因為韌窩形成需要比較大的成長空間，而在這時裂紋為深入材料內部深處，材料的高強度導致材料的變形十分微弱，不能產生足夠的變形去形成韌窩。

圖4 裂紋擴展第Ⅰ階段的滑移斷貌與解理斷貌

疲勞裂紋進入第Ⅱ擴展階段，應力增加，加上晶體排布的原因，斷面逐漸變得粗糙，隨著裂紋擴展的深入，韌窩數量也在逐漸地增多，如圖5 所示，大韌窩中的夾雜物大多脫落，小韌窩可以看到微小的夾雜物顆粒。其形狀為等軸的圓形韌窩，說明其是由材料的變形依然輕微，彎曲載荷主要分配給了正應力。二次裂紋的方向逐漸向著單一化的趨勢發展，最終基本上發展為垂直于主裂紋擴展面的二次裂紋，二次裂紋常在相界和夾雜物出產生。圖6 中，在經過二次裂紋后，疲勞輝紋條帶出現了明顯變窄的傾向，說明在疲勞裂紋擴展的過程中，二次裂紋的出現可以有效降低其擴展速率[7]。除此之外，雙相不銹鋼中還出現了小的解理面，不同的解理面以韌性撕裂的方式交匯，呈現出準解理斷裂的特征。

瞬斷區材料滑移斷裂和微孔聚集型斷裂，并且由于試樣旋轉導致出現弧形的撕裂楞。如圖7 所示。微孔聚集型斷裂以剪切韌窩為主，同時也有少量的等軸韌窩存在。如圖8 所示。

圖5 裂紋擴展第Ⅱ階段等軸韌窩形貌

圖6 二次裂紋及疲勞輝紋形貌

圖7 瞬斷區弧狀撕裂棱

圖8 瞬斷區韌窩形貌

3.2 疲勞機理分析

通過試驗，最終得出超級雙相不銹鋼S32760 的平均疲勞極限σ-1為556.667MPa，疲勞試驗前通過拉伸試驗已知屈服強度為σs980MPa，拉伸強度σ-b為1030MPa。同樣的實驗條件下，同代雙相不銹鋼的SAF2705 的σ-1為640MPa，σs為569MPa，拉伸強度σ-b為953MPa[8]。S32760 的拉伸強度高于SAF2705，平均疲勞極限卻反而不及SAF2705。疲勞極限σ-1與拉伸強度σ-b的比值（疲勞比）表征材料的疲勞性能，則fs32760=0.54，fsAF2705=0.67。疲勞裂紋向材料基體內部擴展時，伴隨著彈性變形和塑性變形[9]。當外界載荷作用時，塑性好的材料往往能夠吸收較多的能量。一定程度上，材料的屈服強度和拉伸強度的比值（屈強比）代表了材料塑性變形的能力，比值越小，塑性變形能力愈強，在裂紋擴展過程中吸收更多的能量，起到緩解疲勞沖擊的作用；另一方面，隨著載荷的作用，塑性變形會使材料在裂紋的擴展方向上得到差異性的變形強化，造成材料力學性能的各向異性，誘發更多的二次裂紋產生，又起到了吸收疲勞沖擊的作用。那么在材料抵抗疲勞載荷的過程中，塑性強的材料會表現出比塑性差的材料更強的抗疲勞能力，即疲勞比更大，見表1，這也是產生上述結果的原因。

表1 S32760 與SAF2507 的屈強比與疲勞極限

4 結論

1）超級雙相不銹鋼S32760 在空氣中的疲勞極限為556.667MPa，疲勞比為0.54，髙周疲勞階段的S-N 冪函數表達式為S=1055.46285n-0.04136。

2）在雙相不銹鋼中，夾渣造成的疏孔比夾雜物更易導致使裂紋產生，是主要的疲勞源。裂紋擴展初期，奧氏體和部分鐵素體滑移斷裂，二次金相σ相和部分鐵素體相解理斷裂。二次裂紋會減緩裂紋在雙相不銹鋼中的擴展速率，這對材料對抗疲勞裂紋的擴展是有益的。

3）材料的屈強比可以影響材料的疲勞極限；屈強比越大的材料，疲勞比越低，在高周疲勞中抗疲勞能力也就越差。