空氣和腐蝕環境下雙相不銹鋼SAF2507的疲勞性能

俞樹榮，孟 愷，李淑欣

(蘭州理工大學 石油化工學院，蘭州 730050)

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空氣和腐蝕環境下雙相不銹鋼SAF2507的疲勞性能

俞樹榮，孟 愷，李淑欣

(蘭州理工大學 石油化工學院，蘭州 730050)

對超級雙相不銹鋼SAF2507分別在空氣和3.5%NaCl溶液中進行旋轉彎曲疲勞實驗，研究兩種介質下SAF2507不銹鋼的疲勞性能。結果表明：宏觀上，雙相不銹鋼SAF2507在3.5%NaCl腐蝕環境中的疲勞強度較空氣中的下降幅度小，為空氣下的90%。但微觀上，空氣中疲勞斷口表現為韌性斷裂，在鐵素體和奧氏體相上呈現大量疲勞輝紋；腐蝕環境下，奧氏體為韌性斷裂，而鐵素體呈現解理斷裂模式。兩相上疲勞輝紋的寬度和間距隨著晶粒位向及二次裂紋的開裂而不同。在奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的疲勞斷口中，不能根據疲勞輝紋的間距進行相的鑒別。

雙相不銹鋼；腐蝕疲勞；疲勞輝紋；韌性斷裂

SAF2507超級雙相不銹鋼因含有奧氏體和鐵素體兩種相，所以兼具鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優點。在眾多優良性能中其耐氯化物應力腐蝕斷裂性能尤其突出，因此它已大量運用于苛刻的介質，尤其是含氯的環境中，如煉油廠海水熱交換器、海洋立管等[1]。海洋立管一方面受到來自海水的電化學腐蝕作用，另一方面受到海洋波浪力作用，這使得海洋立管的主要失效模式之一是腐蝕疲勞。目前關于雙相不銹鋼的研究大多集中于熱處理對雙相不銹鋼的力學性能和微觀結構影響方面，鄒德寧等[2]、李少峰等[3]通過改變固溶溫度或固溶時間，發現隨著固溶溫度的升高，奧氏體相呈下降的趨勢，而伸長率有明顯的增加。在920℃時，σ相大量析出，析出速率與時間成反比，且σ相的出現顯著降低了超級雙相不銹鋼的沖擊韌性。Calliari等[4]的研究表明材料的韌性與χ相和σ相有關,而硬度在兩相含量不多時對兩相含量不敏感。僅有少部分關于雙相不銹鋼疲勞的研究是針對微觀裂紋萌生、發展展開的，Alvarez-armas等通過SEM，EBSD對裂紋觀察發現，相邊界延遲了裂紋尖端的推進，從而阻礙了裂紋的擴展，同時氮原子對疲勞循環和微裂紋成核有顯著的影響[5,6]。Balbi等的研究表明在時效條件下，滑移更易在鐵素體相上出現[7]。而針對雙相不銹鋼腐蝕疲勞的研究則非常鮮見[8]。因此，本工作對雙相不銹鋼SAF2507在應力比R=-1，循環基數為107的條件下進行空氣和3.5%NaCl溶液環境中的旋轉彎曲疲勞實驗，研究兩種介質下疲勞失效的特征及機理。

1 實驗材料與方法

實驗材料為超級雙相不銹鋼SAF2507(00Cr25Ni7Mo4N)，其化學成分如表1所示。材料的熱處理狀態為固溶處理，其微觀組織如圖1所示，圖1(a)為掃描電鏡下試樣橫截面金相照片，圖1(b)為金相顯微鏡下試樣沿縱向截面的金相照片。可以看出在鐵素體基體上均勻分布著奧氏體組織。其中灰白色為奧氏體組織，約占65%(體積分數，下同)，黑色為鐵素體基體，約占35%。常溫力學性能如下：抗拉強度953MPa，屈服強度569MPa，斷面收縮率74%，伸長率27.87%。

表1 試樣化學成分(質量分數/%)

圖1 SAF2507不銹鋼顯微組織 (a)橫向截面；(b)縱向截面Fig.1 Microstructure of SAF2507 stainless steel (a)traverse section;(b)longitudinal section

旋轉彎曲疲勞實驗采用如圖2所示的試樣。利用配有腐蝕裝置的多軸旋轉彎曲疲勞試驗機(f=20～52.5Hz，R=-1)。實驗介質為空氣和3.5%NaCl。實驗過程中，腐蝕液的流量為0.8～1.0mL/min (15～20drops/min)。

圖2 旋轉彎曲實驗試樣尺寸Fig.2 The dimension of specimen for rotating bending fatigue test

2 實驗結果與討論

2.1S-N曲線

空氣和腐蝕環境下雙相不銹鋼SAF2507的S-N曲線如圖3所示。兩種環境下對應的循環基數為107。采用升降法[9]測得空氣下的疲勞極限為640MPa，是抗拉強度的67%。3.5%NaCl腐蝕環境中的疲勞極限為580MPa，是空氣中的90%。3.5%NaCl腐蝕環境中， SAF2507的疲勞強度只降低了10%。這是因為SAF2507含有較高含量的鉻、鉬、氮元素，其在氯離子環境中的抗腐蝕性能優異，從而使其抗腐蝕疲勞性能增強，工程應用的可靠性也明顯提高[10]。

圖3 空氣和腐蝕環境下SAF2507的S-N曲線Fig.3 The S-N curves in air and corrosive environments for duplex stainless steel SAF2507

2.2 空氣環境下的疲勞斷口特征

空氣下疲勞斷口形貌如圖4所示。圖4(a)是整個斷口形貌，可見明顯的疲勞裂紋萌生和不同的擴展區。疲勞源從表面萌生后呈扇形向四周擴展。A區斷面粗糙(見圖4(b))，由很多高低不同的解理小斷面組成。擴展區第二階段B區斷面相對平整，在高倍下觀察到與疲勞裂紋擴展方向垂直的很細的疲勞輝紋。大量的疲勞輝紋和二次裂紋在C區產生。由于試樣斷面增大，未斷截面應力急劇增大，使得C區呈現出明顯的韌性斷裂，如圖4(c)所示。從該區可清楚地看到奧氏體相和鐵素體相的疲勞特征明顯不同。圖4(d)中疲勞輝紋細而密的是奧氏體相(γ)，上面分布著粗而疏的韌性條紋的是鐵素體相(α)。相的鑒別通過大量能譜結果分析可得。鐵素體相上的高鉻低鎳成分導致其鉻和鎳的元素比值比奧氏體相上的要高，鐵素體相上鉻和鎳比值平均為6.8，而奧氏體相上的為4.2。

圖4 空氣中疲勞斷口形貌(σa=650MPa,Nf=1.44×106cycles) (a)斷口全貌；(b)放大后的疲勞源區；(c)放大后的C區域；(d)C區域中的標記處放大照片Fig.4 The fatigue fracture morphology in air(σa=650MPa,Nf=1.44×106cycles) (a)the whole fracture appearance; (b)magnification of fatigue origin;(c)magnification of region C；(d)magnification of marked region in region C

在高應力680MPa下疲勞裂紋擴展的第二階段B區的面積明顯增大，約占總面積的40%，如圖5(a)所示。斷口形貌呈現出典型的韌性斷裂特征，裂紋沿著奧氏體和鐵素體相內部穿晶擴展的同時，也沿著兩相界面擴展，如圖5(b)所示，鐵素體相α和奧氏體相γ的疲勞輝紋間距相當。C擴展區的兩相界面處產生二次裂紋，因此在晶粒的側面方向產生不同于正面的疲勞特征。如圖5(c)所示鐵素體相α2和α3的側面α2b和α3b產生疲勞輝紋，而輝紋的寬度和間距隨著位置在變化，如α1上的疲勞輝紋寬度d1～d6。這種不規則的疲勞輝紋特征在不同應力水平下的C擴展區都清晰可見。因此，疲勞輝紋的特征除了與應力水平有關，同時受晶粒取向的影響也很大。

然而，在雙相不銹鋼EN X6CrNiMoCu 25-6[11,12](奧氏體相占46%，鐵素體相占54%)和Zeron 100[13](奧氏體相占40%，鐵素體相占60%)疲勞斷口形貌中，作者明確表明由于兩相強度不同，鐵素體相的疲勞輝紋粗而稀疏，奧氏體相疲勞輝紋細而密。而本文所討論的SAF2507雙相不銹鋼除了在局部的兩相處觀察到該特征外，在整個斷口中并不具有共性。疲勞輝紋的間距具有很明顯的方位性，不同方位的晶粒在二次疲勞裂紋的擴展中產生不同的疲勞輝紋。因此，疲勞輝紋呈現出非單一的特征。

2.3 腐蝕環境下的疲勞斷裂特征

腐蝕環境下，斷口形貌呈現韌性斷裂和解理斷裂的混合模式，如圖6(a)所示。在圖6(b)上清晰可見奧氏體相上韌性斷裂的疲勞輝紋特征，而鐵素體相是解理斷裂。疲勞裂紋沿兩相界面和奧氏體疲勞輝紋內部擴展。與空氣中的斷口一樣，疲勞輝紋具有很明顯的晶粒取向特征，輝紋的寬度和間距隨裂紋的擴展方向變化，如圖6(b)所示奧氏體相γ1和γ2的疲勞輝紋方向一致，但二次裂紋γ3的疲勞輝紋沿深度方向發展，且輝紋間距細而密。

圖5 空氣中疲勞斷口形貌(σa =680MPa,Nf=9.05×105cycles ) (a)斷口全貌；(b)鐵素體相和奧氏體相中的疲勞輝紋；(c)鐵素體相和奧氏體相中疲勞輝紋的不同特征Fig.5 The fatigue fracture morphology in air(σa=680MPa,Nf=9.05×105cycles) (a)the whole fracture appearance; (b)fatigue striation in ferrite and austenite;(c)various characteristics of fatigue striations in ferrite and austenite

SAF2507不銹鋼在熱處理過程中不可避免地形成第二相，其中在800～900℃區間σ相是主要的中間相。在腐蝕環境下，已有研究表明σ/σ及σ/γ界面是鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼發生局部腐蝕的主要部位[14]。能譜分析表明，σ相上鎳含量非常低，具有很大的脆性[15]，導致材料沖擊韌性顯著下降[16]。圖6(c)中疲勞裂紋沿σ相周圍開裂，與基體脫離。

3 結論

(1)空氣中超級雙相不銹鋼SAF2507對應107循環基數的疲勞強度是640MPa，是抗拉強度的67%。在3.5%NaCl腐蝕環境中的疲勞強度是空氣中的90%，即該材料抗常溫腐蝕疲勞性能很好。

(2)空氣中疲勞斷口表現為韌性斷裂，在鐵素體相和奧氏體相上呈現大量疲勞輝紋；腐蝕環境中斷口呈現混合斷裂模式，奧氏體相為韌性斷裂，而鐵素體相為解理斷裂。兩種介質環境下，疲勞輝紋寬度和間距隨著晶粒位向及二次裂紋的開裂而不同。因此，不能根據疲勞輝紋的間距鑒別相。

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Fatigue Properties of Duplex Stainless Steel SAF2507 Under Air and Corrosive Environments

YU Shu-rong，MENG Kai，LI Shu-xin

(School of Petrochemical Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

Rotating bending fatigue tests were conducted on the super duplex stainless steel of SAF 2507 to investigate fatigue properties in both air and 3.5%NaCl aqueous environment. The results show that on the macro scale, compared to the air fatigue, there is no significant reduction in the fatigue strength of SAF2507 under corrosive environment, which is 90% of the air fatigue strength. But on the micro scale, the fatigue failure exhibits ductile fracture with fatigue striations observed in both ferrite and austenite in air. While in 3.5%NaCl, austenites have ductile fracture and ferrites exhibit cleavage fracture mode. The width and space between fatigues striations vary with grain orientations and second cracks, indicating that ferrite and austenite phase on fracture surface could not be identified simply by fatigue striations space.

duplex stainless steel;corrosion fatigue;fatigue striation;ductile fracture

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.01.014

TG142.71

A

1001-4381(2015)01-0077-05

國家自然科學基金資助項目 (51275225)；蘭州理工大學紅柳杰出青年計劃(J201302)；國家質檢公益性行業科研專項“基于風險管理的海洋石油平臺壓力管道安全評定研究”(201210026)；甘肅省高等學校基本科研經費(2013.116)

2013-12-13；

2014-11-27

俞樹榮(1962-)，男，教授，博士,研究方向：承壓類特種設備強度與安全，聯系地址：甘肅省蘭州市七里河區蘭工坪路287號蘭州理工大學石油化工學院(730050)，E-mail:mengkai117@126.com