TP347H鋼疲勞裂紋生長規律及顯微組織影響研究

張羽飛 王 璐 方 正

（大連理工大學 能源與動力學院，大連 116024）

TP347H鋼（1Cr19Ni11Nb）是一種奧氏體不銹鋼，是在18Cr-8Ni不銹鋼的基礎上添加一定量的Nb元素。Nb是強碳化物形成元素，可以使合金具有較強的抗晶間腐蝕能力，同時具有更高的許用應力和蠕變斷裂強度[1]。TP347H鋼由于其優良的綜合性能，被廣泛應用于石油化工行業的高溫部件中。這些部件由于長期處于惡劣的工作環境，同時受到多維應力影響，常發生疲勞失效破壞，因此研究TP347H鋼的疲勞失效機理尤為重要。現有研究發現，顯微組織對于材料疲勞性能具有重要影響。任文等[1]對TP347H末級過熱器爆管分析發現，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致斷裂。潘平偉等[2]研究發現，隨著溫度的升高，平均晶粒尺寸逐漸增大，高溫屈服強度逐漸下降，說明細晶強化是影響高溫屈服強度的主要因素。李健等[3]研究TP347H鋼管在焊接及服役過程發現，含鈮析出強化相在晶內出現，導致晶內及晶界強度匹配失衡，在晶界處產生應力集中而導致沿晶開裂。本文以TP347H鋼為研究對象進行疲勞試驗，采用宏觀與微觀相結合的方式，跟蹤觀測疲勞裂紋，研究裂紋萌生、擴展行為規律，以及顯微組織對疲勞裂紋的影響。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

本文實驗材料為TP347H鋼，為了避免材料間存在差異，實驗室購進多根同批1 m×18 mm的圓柱形實心TP347H鋼管，經過X射線熒光光譜（X Ray Fluorescence，XRF）分析其化學成分，結果如表1所示。材料的化學元素含量均符合標準ASTM A213[4]中TP347H鋼的化學成分要求。

表1 實驗材料的化學成分（質量分數，%）

1.2 試件制備

根據疲勞試驗機的夾持要求，按照GB/T 15248—2008[5]將材料加工成標準圓柱試件。現有研究表明，疲勞裂紋一般從應力集中處開始萌生擴展。為了便于疲勞裂紋的跟蹤與觀測，在試件中央處加工出一個圓弧形缺口。標準試件在軸向交替載荷的作用下，在缺口處產生應力集中效應，發生疲勞失效破壞。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，提高實驗效率。試件的加工圖紙如圖1所示，其中數據單位為mm。

圖1 試件尺寸設計圖

1.3 實驗方法

實驗在MTS 100 kN疲勞試驗機及圖像跟蹤采集系統上完成。疲勞試驗常用的循環載荷控制方式為應力控制與應變控制，即在實驗過程中保持循環應力幅值與循環應變幅值不變。當試件所受應力水平較高時，材料進入塑性變形階段，應力與應變變化不再保持線性關系。在循環加載及卸載過程中，應力變化較大，不利于控制。因此，本文選擇應變控制，應變幅為0.2%，波形為正弦波，加載頻率f=0.5 Hz，加載比R=-1，實驗環境溫度為室溫。

實驗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展規律。同時，隨著實驗的進行，試件所受應力幅值會逐漸降低并很快斷裂失效，對引伸計造成破壞。因此，定義試件應力幅值下降到初試應力幅值的75%，即為試件失效，終止實驗。

2 實驗結果與分析

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。經測量，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，一般位于材料內部微觀組織結構的薄弱區域或高應力區域，如孔洞、夾雜、晶界等。這些區域由于應力集中的作用，會促進疲勞裂紋的萌生[6-7]。疲勞初期，在金相顯微鏡下對不同位置萌生的12條裂紋進行跟蹤觀測，如圖3所示。

圖3 疲勞裂紋萌生位置

2.3 疲勞裂紋擴展

疲勞裂紋的擴展過程可以劃分為初始擴展、穩定擴展和快速擴展3個階段。萌生階段結束后，初始疲勞裂紋在切應力作用下，沿與載荷軸呈45°方向開始擴展，之后在晶界的阻礙作用下，擴展方向逐漸垂直于主應力方向。開始時，疲勞裂紋沿晶擴展，很快會轉變為穿晶擴展。當裂紋尖端到達晶界時，可能會發生裂紋暫時性止裂現象。Zhai等[8]提出裂紋面和晶界之間的偏轉角是決定小裂紋擴展路徑和擴展速率的關鍵因素。當偏轉角過大時，裂紋可能會發生暫時性止裂或者分叉。

疲勞裂紋繼續擴展時，擴展的方式不再局限于獨立向兩端擴展，而是在相鄰裂紋的作用影響下發生裂紋合體行為。疲勞裂紋的合體行為貫穿疲勞裂紋擴展過程的始終，并在疲勞裂紋擴展后期成為擴展的主要方式。在疲勞裂紋擴展過程中，通過觀測發現，兩種不同類型的裂紋合體行為，根據發生的時間、裂紋的長度以及橫向間距分為Ⅰ型合體行為和Ⅱ型合體行為。Ⅰ型合體行為常發生在疲勞裂紋擴展前中期，此時疲勞裂紋長度較短，當兩條裂紋橫向間距較小時，由于疲勞裂紋尖端應力集中嚴重，兩條裂紋尖端幾乎呈直線連接在一起。Ⅱ型合體行為發生在疲勞裂紋擴展中后期，此時兩條裂紋沿軸向部分重疊，橫向間距較大，裂紋間彼此產生應力松弛效應，裂紋尖端應力集中下降，裂紋擴展進程緩慢，在裂紋間產生大片的塑形損傷區域。

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

圖4 裂紋合體行為

圖5 裂紋形貌

主裂紋在擴展過程中會發生裂紋分叉，生成沿不同方向的分支裂紋。這些分支裂紋并不會持續擴展，但是分支裂紋會分散裂紋尖端的應力場。擴展過程會消耗更多能量，從而對主裂紋的擴展起到抑制作用。在裂紋進行穿晶擴展時，裂紋表面附近易呈輕微翻出狀，產生大量的滑移帶。滑移帶與加載方向約45°形成樹杈狀形貌，在產生過程中會消耗大量的能量，抑制主裂紋的擴展。

2.4 顯微組織對疲勞裂紋擴展的影響

顯微組織結構對疲勞裂紋的擴展具有很大影響。疲勞裂紋擴展路徑往往呈鋸齒形，即晶體學裂紋形貌。使用ImageJ Simple Neurite Tracer插件[9]對裂紋進行長度測量，研究結果發現，相比于垂直于主應力方向裂紋長度，實際裂紋長度增加20%～30%。裂紋擴展路徑曲折程度增加，意味著相同條件下吸收的應變能增加，可在一定程度上減緩裂紋的擴展速率[10]。因此，研究疲勞裂紋擴展路徑的走向，增加裂紋實際擴展路徑長度對抑制疲勞裂紋的擴展和提高材料疲勞壽命具有重要的意義。

對疲勞裂紋穿晶擴展進行分析，疲勞裂紋在穿過晶粒時并非都呈直線型擴展，而是在穿過某些晶界時會發生偏折改變裂紋擴展方向。研究表明，相鄰晶粒的取向對于裂紋的擴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行擴展。當疲勞裂紋在一晶粒內沿有利滑移面擴展到晶界時，相鄰晶粒有利滑移面方向發生改變，導致裂紋會在晶界處發生偏折后進入相鄰晶粒。如果相鄰晶粒中有利滑移面夾角較大，則裂紋會沿著晶界擴展并轉動一定角度后進入下一晶粒，沿著有利的滑移面繼續擴展。圖7為裂紋穿晶擴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擴展，在晶界平面發生偏折。γ表示相鄰晶粒中裂紋擴展面的偏折角度，θ表示裂紋在晶界平面上的轉動角度，三角形aob表示裂紋在晶界平面上的擴展面積。可以得出，該三角形面積越大，疲勞裂紋穿過晶界時所受的阻力越大。

圖6 裂紋穿晶擴展

3 結語

（1）疲勞裂紋一般萌生于材料內部微觀組織結構的薄弱區域或應力集中區域，開始時主要受切應力作用影響，沿與載荷軸呈45°方向擴展，之后擴展方向逐漸垂直于主應力方向。

（2）疲勞裂紋繼續擴展后，相鄰裂紋之間會發生合體行為。根據行為發生的時間、裂紋的長度以及橫向間距，可以分為兩種不同的類型：Ⅰ型合體行為常發生在疲勞裂紋擴展前中期，此時疲勞裂紋長度較短，兩條裂紋橫向間距較小，兩條裂紋尖端在集中應力的作用下幾乎呈直線連接在一起；Ⅱ型合體行為發生在疲勞裂紋擴展中后期，此時兩條裂紋沿軸向部分重疊，橫向間距較大，裂紋尖端應力松弛，裂紋擴展進程緩慢，在裂紋間產生大片的塑形損傷區域。

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

（4）顯微組織結構對疲勞裂紋的擴展具有很大影響，相比于垂直于主應力方向裂紋長度，實際裂紋長度增加20%～30%。受顯微組織影響，裂紋擴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行擴展，當疲勞裂紋進行穿晶擴展時，由于晶界兩端晶粒的滑移系取向不同，裂紋會在晶界處發生偏折后進入相鄰晶粒，沿著有利的滑移面繼續擴展。如果相鄰晶粒中有利滑移面夾角較大，則裂紋會沿著晶界擴展并轉動一定角度后再進入下一晶粒。