310S耐热不锈钢动态拉伸变形行为研究分析

   浙江至德钢业有限公司技术人员采用扫描电子显微镜(SEM)静载动态拉伸原位观察方法研究了310S耐热不锈钢常温动态拉伸过程中裂纹的萌生、扩展及断裂过程．结果表明:裂纹源容易在夹杂物、基体界面以及应力集中部位形成．随着拉伸变形进行，不同位置形成的微裂纹中，处于与拉伸应力方向相同或相近的有利位相的微裂纹不断亚稳扩展，最后与周围微裂纹连接形成主裂纹．当主裂纹扩展到一定程度达到或超出临界裂纹尺寸后，试样裂纹发生全面失稳扩展而试样迅速断裂。

   耐热不锈钢310S（0Cr25Ni20）是高铬镍奥氏体不锈钢，在氧化介质中具有优良的耐蚀性，同时具有良好的高温力学性能，因此它既可以作为耐蚀部件又可以用于高温部件。该材料主要应用于抗腐蚀性要求高的化学、煤炭、石油产业的野外露天机器、建材耐热零件及热处理有困难的零件以及耐高温炉管制造。兰州理工大学喇培清等研究了铝元素对310S不锈钢组织和性能的影响，研究了310S不锈钢在铸造过程中的表面裂纹分析原因．巴西技术人员研究了石油钻井平台上服役期的310S不锈钢的失效，主要是由σ相的沉淀以及长期处在海水中出现过冷带导致裂纹的萌生，最终导致断裂。310S不锈钢作为一种重要的高温使用结构材料，因而材料的动态力学行为对于裂纹的形成和扩展的研究具有十分重要的意义．通过带有拉伸台的SEM，我们可以直接观察和连续记录材料断裂的围观动态过程。对金属材料变形过程进行了研究．西北核技术研究所文潮对16MnR钢的动态拉伸进行研究，证实了16MnR钢具有明显的应变强化效应。工作证实了σ相与奥氏体结合力是很强的，并在观察Ni－Cr奥氏体钢σ相时指出了晶格关系对结构材料来说，拉伸应力作用下微裂纹的形成及扩展对材料的静态力学性能有着非常重要的影响，很有必要进行了解和研究．对310S耐热不锈钢的动态拉伸的研究国内还没有详细的相关报道。因此至德钢业研究了310S耐热不锈钢通过SEM附带的动态拉伸试验仪进行动态拉伸，原位观察研究了其微裂纹的形成及扩展过程。

一、实验材料与方法

   实验材料采用中频感应炉和电渣重熔精炼后锻压而成，合金其主要化学成分（质量分数，%）如表所示，材料经过1150℃固溶处理，保温30分钟后水淬。实验仪器为带有拉伸台的S-570扫描电镜上进行，加载通过手动进行．试样尺寸如图所示，实验过程中为了便于观察裂纹的萌生点，在试样上开了个U型缺口，试样分别经过400目、600目、800目、1000目金相砂纸打磨、机械抛光．然后用电解腐蚀，操作电压为3V。

二、结果与分析

 1. 裂纹的萌生

   图是310S耐热不锈钢的动态拉伸时的SEM照片．裂纹萌生的理论基础是位错和孪生变形．从图加载初期试样的表面SEM照片可知，夹杂相弥散的分布在基体表面，并有孪晶出现，试样表面并没有出现明显的损伤．试样加载一段时间后，由图可知萌生裂纹尖端出现大量的放射线，放射线的收敛处为裂纹源。在试样表面产生微小裂纹，裂纹尖端微小的应力使得尖端位错塞积，塞积的位错数目越多，使得尖端位错对障碍物（晶界、夹杂相）的作用就越大，当拉伸应力达到一定程度时，就会引起邻近晶粒的位错源开动，在夹杂相与基体的交界处生核并沿某一有利的滑移面生长从而产生应力集中引起裂萌生，随着加载的进一步增加，试样缺口处发生了明显的塑性变形，引起缩颈现象并出现类似滑移线的条纹，在缩颈部位的裂纹基本上沿拉伸受力垂直方向扩展．随着拉应力的不断增加，裂纹处基体之间的滑移明显增多，其他位置并没有发生明显的塑性变形如图所示．由图中A点可以看出在拉应力的作用下显微空洞各部分所受应力不同，沿着受力较大的方向韧窝被拉长形成大量的撕裂韧窝，这些韧窝主要是由于夹杂物或第二相粒子在应力作用下破碎而形成的．裂纹萌生有3种形式：夹杂相本身碎裂；夹杂相（或空洞）与基体运动不协调性产生应力集中；外加拉应力集中处。拉伸过程中夹杂相形成的微裂纹很在拉伸变形过程中第二相和基体相的应变不一致，而第二相与奥氏体界面处的结合力较弱，外加应力在其界面处造成应力集中，当应力集中达到一定程度而超过界面结合力时，微孔洞将首先在界面形核，形成大量的微裂纹，大大降低了合金的断裂强度，缩短了试样的断裂时间。而这些微裂纹没有方向性，则处于有利位相的微裂纹不断扩展，并与周围微裂纹连接也可形成主裂纹；拉应力形成的裂纹扩展成主裂纹的几率最大。由于晶界和孪晶界的强度比比夹杂相与基体的界面结合力大的多。

2. 裂纹的扩展

    裂纹扩展是拉应力和塑性切应变共同作用的结果．用里格菲斯裂口理论解释是试样在外力作用下具有整体弹性应变能，当裂纹扩展表面增加，形成的新裂纹表面要吸收能量，裂纹扩展过程中弹性能为推动力，表面能为阻力，当扩展中的弹性能的减少大于增加的表面能，就出现裂纹失稳扩展．主裂纹一般绕过夹杂相，沿高应变带在基体中扩展．不同取向晶粒的变形能力和变形抗力是不同的，在拉伸载荷下，必然在取向最有利于滑移和微观内应力最易集中的晶粒先开始，组织愈不均匀，这种起始塑性变形的选择性就愈突出。由图可知已萌生的裂纹在继续加载的过程中扩展成为众多的微裂纹，然而并不是所有的微裂纹都在继续加载中扩展而形成大裂纹，微裂纹在扩散过程中选择消耗能量少的途径进行扩展，在裂纹尖端的塑性区内由于晶体各向异性和滑移系统不同使得形变不均匀容易在晶界或相界产生应力集中而形成裂纹核，而这些裂纹核在裂纹扩展中处于有利位相而不断的扩展，并与部分周围微裂纹连接形成主裂纹，大部分的夹杂相和空洞形成的小裂纹，在主裂纹形成以后则停止扩展图．主裂纹扩展过程中，裂纹处于第二相与基体的界面时扩展速率减慢；继续增大载荷，裂纹尖端在适当的位置又形成新的微裂纹，新的微裂纹继续扩展形成主裂纹如图。由可知当主裂纹发展的一定程度，继续施加载荷时，裂纹急剧扩展，试样表面已达到全面失稳而迅速断裂，图为试样在不断加载后断裂的宏观形貌．

三、讨论

  1.  310S不锈钢裂纹萌生有3种形式：夹杂相本身碎裂；杂相（或空洞）与基体运动不协调性产生应力集中；外加拉应力集中处。前两种容易形成大量的微裂纹。施加加载应力后在不同位置形成的微裂纹中，处于有利位相并且消耗能量少的途径进行扩展，扩展过程中与周围微裂纹连接形成主裂纹。

  2. 裂纹的传播是一个逐步扩散的过程，随着拉应力的增加，已萌生的微裂纹有些在遇阻力后停止扩展，有些继续扩展形成主裂纹，裂纹之间的金属基体间的形成明显滑移而发生明显的塑性变形。

  3. 主裂纹发展到一定程度，周围微裂纹不再扩展，继续施加载荷时，裂纹急剧扩展导致试样的迅速断裂，试样表面已达到全面失稳而断裂。