至德钢业2520不锈钢低度疲劳性能结果及分析

  2520不锈钢室温及650℃的低周疲劳有效试验寿命及相关性能列于表，表中还包含了与另外几种核电常用结构材料的对比。可以看出，2520不锈钢室温的低周疲劳寿命较高（在几种材料中最高），但高温时下降较多，只有室温时的15%左右，下降趋势大于其他几种材料，尤其是718合金。总体而言，2520不锈钢具有中等的抗低周疲劳性能，仅次于347和718，优于316Ti不锈钢和800H。由表可知，650℃和室温相比，除了低周疲劳寿命降低外，材料的屈服强度、弹性模量均有下降，其中，2520不锈钢的弹性模量下降幅度均为20%左右，与其他几种材料相当；而屈服强度下降了约40%，再次与718形成较鲜明的对比，718合金屈服强度的下降幅度仅为13%，这与其合金元素具有良好的热强性和第二相粒子在高温下具有二次硬化、沉淀强化能力有关。由疲劳寿命和屈服强度随温度的变化关系可知，高温、室温条件下的低周疲劳寿命比与高温、室温屈服强度比呈现正向一致的关系。因为，应变值与屈服强度和弹性模量有关，因此，在高温条件下，当2520不锈钢的屈服强度下降时，若下降速率高于弹性模量的下降速率，根据应力-应变关系，当控制模式为应变方式时，2520不锈钢的塑性变形量在一个低周疲劳周次内会显著增大，其疲劳寿命与室温条件相比，表现为下降快。

 在空气环境中进行低周疲劳试验时，在高温条件下，2520不锈钢会发生明显的氧化作用。已有研究显示，空气中的氧扩散至疲劳裂纹尖端所需的时间约为量级，而氧与新鲜金属发生化学反应的时间比氧的扩散时间要长，约为0.015秒，这就导致，在高温空气环境中进行低周疲劳试验时，2520不锈钢试样疲劳裂纹尖端的氧含量始终处于饱和状态，多余的氧还可再扩散至基体内部，导致基体金属原子的结合变得弱化，增大材料的脆化倾向，加速了裂纹的扩展和生长。在发生低周疲劳的同时，高温也会使2520不锈钢产生蠕变变形，高温为原子的加剧扩散提供了外加的能量，当材料内部存在缺陷时，例如孔洞、空隙等，原子扩散变得容易，并且随着低周疲劳的进行，材料内部还会产生位错，在应力作用下，位错的滑移和攀移与点缺陷相互作用，促进微孔的聚集，形成大的空洞等，孔洞、空隙周围的原子随时间变化再发生重排，导致孔洞不断聚集，削弱了材料，最终形成宏观裂纹，导致材料发生断裂。与室温条件相比，高温促进了材料的加速氧化、原子的加速扩散，在应力作用下，内部缺陷和位错相互作用，可明显降低310S不锈钢的低周疲劳性能。

  2520不锈钢室温、650℃疲劳试验的稳态迟滞回线面积列于表3-7中，稳态迟滞回线图见图（RT表示室温，HT表示高温）。可以看出，2520不锈钢材料弹性变形量变化不大，在两种温度下都基本维持在0.12%-0.15%之间，且表征材料弹性、塑性变形量比例的滞后回线面积变化不大，表明2520不锈钢疲劳寿命高低与弹性、塑性变形比例无必然联系。上图显示了2520不锈钢试样低周疲劳试验的循环周次与峰值应力的关系。由图可知，室温和高温条件下，2520不锈钢试样低周疲劳试验的加载和变载是稳定的，因其正负峰值应力的幅值表现为比较接近；当然，室温与650℃的峰值应力存在一定的差别。310S不锈钢试样的状态在不同温度下表现得略有差异，室温时，先略微循环硬化，再进入循环饱和状态；650℃时，先循环硬化，再进入循环饱和状态。与其他几种材料的疲劳寿命进行对比可知，疲劳寿命与循环状态无明显关联。外加应变幅以及材料本身的状态，决定了低周疲劳试验时循环周次与应力峰值的关系。合金的屈服强度较低时，当外加应变幅高于屈服强度后，低周疲劳变形过程中将先出现材料的循环硬化现象。循环硬化的微观机理类似于拉伸中的形变强化效应，即位错大量的增殖、运动导致相互缠结和塞积，只是外力条件为交变应力作用。循环饱和是由于位错增殖能力在一定循环周次后下降，而大量异号位错相互作用和运动，产生湮灭现象逐渐占据上风，缓解了位错塞积和缠结；同时，在高温下位错易发生攀移，参与变形组织的动态回复再结晶过程，再加上高温下析出相长大或重溶入基体，钉扎位错能力显著下降；当位错密度较为稳定时，便发生循环饱和现象。在后续试验过程中，外加应力峰值呈现为下降现象，但这不是循环软化，因为，疲劳裂纹已经萌生和扩展后，试样的承载能力会下降，表现为外加应力峰值下降。

   上图显示了低周疲劳试验后2520不锈钢试样的典型断口形貌。即疲劳断口包括三部分：裂纹源区、裂纹扩展区和瞬间断裂区。疲劳裂纹一般起源于样品表面或者内部缺陷处，若样品表面有切削刀痕，将在局部区域易引起应力集中，使该区域应力超过材料的强度，萌生裂纹；内部缺陷则是材料在锻造，热处理等过程中产生的。浙江至德钢业有限公司2520不锈钢的低周疲劳裂纹起源于试验表面，疲劳裂纹源呈一个或多个，室温试验后试样的裂纹源容易观察，而高温试验后，断口表面因受到比较严重的氧化，试样的疲劳裂纹源不易观察。

   低度疲劳裂纹的起源或者萌生阶段较短，与高度疲劳试验中的不同，该阶段扩展速率较低，寿命较少，约占低周疲劳总寿命的10%。在裂纹萌生阶段，塑性变形总量还较小，裂纹尖端的应力集中程度较低。随着试验进行，当循环一定周次后，塑性变形总量不断增加，裂纹尖端的应力集中程度逐渐增大，裂纹的生长变快，扩展速率提高，在微观形貌方面对应了比较明显的疲劳条带；疲劳条带的宽度（间距）与应力、温度有关，一般而言，不同类型材料的疲劳条带宽度有较大差别，同种合金中，随温度升高，疲劳间距会稍微变宽。疲劳条带宽度越大，表明循环一周次时，裂纹的扩展量较大，即裂纹扩展速率较快，说明材料抵抗裂纹扩展能力越弱。2520不锈钢在650℃低周疲劳试验后，试样断口的疲劳条带间距可达到3.0μm，属于中等水平的条带宽度。因为裂纹扩展阶段的寿命占低周疲劳寿命的比例最大，因此疲劳间距越小，在相同应变幅条件下，材料的疲劳寿命越高。