拉-拉循環載荷下443鐵素體不銹鋼產熱規律及疲勞性能預測

張 杰，閆志峰，王文先，王志斌，王 凱，張紅霞，張心保

(1 太原理工大學 材料科學與工程學院，太原 030024； 2 山西太鋼不銹鋼股份有限公司，太原 030003)

拉-拉循環載荷下443鐵素體不銹鋼產熱規律及疲勞性能預測

張 杰1，閆志峰1，王文先1，王志斌2，王 凱1，張紅霞1，張心保2

(1 太原理工大學 材料科學與工程學院，太原 030024； 2 山西太鋼不銹鋼股份有限公司，太原 030003)

采用紅外熱像法研究了443鐵素體不銹鋼在疲勞試驗過程中表面溫度場的變化規律，提出了采用ΔT-Nf曲線預測疲勞壽命的方法。結果表明：溫升極限值ΔT=3.18℃，即當ΔT>3.18℃時，試樣發生疲勞斷裂，與實測溫升值3.49℃相比，誤差為8.89%。利用ΔT-Nf曲線預測443鐵素體不銹鋼在5×106循環次數下的疲勞強度為277.97MPa，與傳統方法測得結果284.45MPa相對誤差為2.28%。

443鐵素體不銹鋼；溫度場；疲勞強度；紅外熱像法

443鐵素體不銹鋼是近年來研發的一種超純高鉻經濟性鐵素體不銹鋼，由于其性能較好，作為304不銹鋼的替代品，被廣泛應用在大型容器、箱體等承受動載的結構中[1]。因此，研究其循環載荷下的疲勞性能具有重要意義。

傳統實驗方法耗時長、成本高等方面的不足，為準確獲取構件的疲勞性能帶來一定的困難。基于能量轉化理論的紅外熱像法作為一種實時、無損及非接觸的測試技術，將其應用于疲勞研究中，具有快速、準確和成本低等特點，是一種新型的材料研究方法[2-4]。根據該方法，理論上最少只需1個試樣，在較短的時間內便可準確測定材料的疲勞曲線[5-7]。因此，利用紅外熱像法研究材料疲勞性能受到越來越多的重視。

樊俊鈴等[8]借助鎖相熱像技術，測定了Q235鋼的疲勞極限，并用此方法快速測定了金屬疲勞極限和S-N曲線。Crupi等[9]采用紅外熱像法預測了AH36鋼焊接接頭的疲勞極限和S-N曲線，與傳統實驗方法相比取得很好的一致性。王青志等[10]使用紅外熱像法預測了45#鋼的疲勞極限，并對45#鋼疲勞加載過程中的產熱機理進行了分析。薛紅前等[11]對高強鋼在高頻載荷下的超高周疲勞及熱耗散進行了研究，研究發現：微裂紋處不可逆的局部塑性變形導致裂紋萌生區溫度急劇升高，疲勞試樣內部溫度場的變化反映了材料的疲勞損傷過程。

由于晶體結構的差異，不同金屬材料在疲勞載荷作用下的塑性變形能力不同，因此其溫升機制也不同。443鐵素體不銹鋼為體心立方晶體結構，堆垛層錯能較高，易發生錯交滑移，其損傷機制與其他金屬相比有自身特點。因此研究其疲勞加載過程中的損傷和能量耗散特征對于揭示443鐵素體不銹鋼的疲勞損傷機理及其安全使用具有重要意義。

本研究采用紅外熱像法對443鐵素體不銹鋼疲勞加載過程進行分析，根據疲勞過程中試件表面的溫度變化規律探討443鐵素體不銹鋼疲勞過程中的產熱機理，提出快速預測443鐵素體不銹鋼疲勞強度和疲勞壽命的新方法，并與傳統疲勞試驗結果進行對比分析，確定這種方法的準確性。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗所選材料為4mm厚的443鐵素體不銹鋼，其化學成分如表1所示，其力學性能如表2所示。

1.2 疲勞試樣

疲勞試樣按照GB/T 3075—2008《金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法》經機械加工成型，并用砂紙將邊緣打磨光滑，試樣形狀和尺寸如圖1所示。

圖1 疲勞試樣尺寸Fig.1 Fatigue sample dimension

1.3 實驗設備及實驗方法

實驗所用設備為PLG-200D高頻拉壓疲勞試驗機，循環特征系數為0.1，諧振頻率為100Hz左右。實驗載荷以抗拉強度的60%進行加載， 逐級降低5%，如果諧振次數達到5×106試樣沒有發生斷裂，則停止實驗。達到5×106循環次數的5組數據，采取應力逐級增加的方式進行加載。

采用InfraTec VarioCAM hr紅外熱像儀記錄疲勞試驗過程中試樣表面的溫度變化。在30℃時，紅外熱像儀精度為0.08℃。實驗在25℃的環境溫度下進行，錄制頻率為50Hz。用IRBISR view軟件對熱像圖進行分析處理。實驗時試樣表面需要涂一層發射率大于0.95的黑色亞光漆。

表1 443鐵素體不銹鋼化學成分(質量分數/%)Table 1 Chemical compositions of 443 ferritic stainless steel(mass fraction/%)

表2 443鐵素體不銹鋼力學性能Table 2 Mechanical properties of 443 ferritic stainless steel

2 疲勞過程中溫度演化及分析

圖2為σmax=320MPa時試樣表面溫度場隨時間變化的熱像圖，在循環載荷作用下，由于疲勞試件結構的變化產生應力集中，因此表面溫度分布不均勻，且中部溫度較高。圖3為σmax=320MPa時，疲勞試件表面溫度最高點隨時間的變化曲線，點A，B，C，D，E，F和G所對應的溫度場演化如圖2所示。

圖2 疲勞過程中試樣表面溫度場的演化Fig.2 Evolution process of specimen surface temperature field during fatigue testing

圖3 疲勞試驗中試件溫度變化曲線Fig.3 Temperature change curve during fatigue testing

由圖3可知，443鐵素體不銹鋼在疲勞加載過程中的溫度變化可以分為4個特征明顯的階段：階段Ⅰ為初始溫升階段，此時試件局部發生塑性變形釋放大量的熱量，由于在實驗初始時試件和環境的溫差較小，對流過程中熱量損失也比較少，試件表面產熱速率大于試件和環境的熱交換率。因此，試件表面溫度快速升高；階段Ⅱ為穩定溫升階段，此時試件表面產熱速率與試件和環境的熱量交換速率達到平衡，溫度變化達到相對穩定的狀態，溫度在小范圍內出現波動。這是因為在443鐵素體不銹鋼中，初始位錯密度較低，隨著塑性變形的進行，位錯大量增殖，位錯密度快速增加，引起顯微區域的加工硬化，但隨著應變量的增加，高位錯密度的區域必然處于不穩定狀態，難以繼續增加其位錯密度，因此，在高位錯密度區中就會逐漸形成小塊低位錯密度區，這又會引起顯微區域的加工軟化，隨著加載的進行，塑性變形的發展使這個新形成的低位錯密度區會再次出現位錯密度增加的過程，這兩種作用相反的因素在循環加載過程中表現為疲勞強化和疲勞軟化[12]。材料的硬化和軟化導致溫度出現小范圍的波動，當疲勞硬化占主導時，材料宏觀上表現出硬化現象，塑性變形能力降低，溫度隨之降低。而當疲勞軟化占主導時，材料宏觀上變現出軟化現象，塑性變形能力增加，溫度隨之升高；階段Ⅲ為溫升快速增加階段，在這一階段，試件萌生宏觀裂紋并且快速擴展，裂紋尖端釋放大量熱量，溫度快速上升，溫度達到最高點時，疲勞試驗停止。階段Ⅳ為溫度下降階段，實驗停止后，由于試件與環境的熱交換，溫度迅速降低。

圖4為不同加載應力作用下試件表面最高溫度的變化趨勢，隨著加載應力的增大，材料產生的塑性變形速率也將增大，導致產熱量快速增加。當加載應力高于290MPa時，階段Ⅰ的溫升梯度明顯增加。當加載應力低于290MPa時，試件表面溫升較小，非彈性效應(如黏性效應)熱耗散水平較低[10]。

圖4 不同加載應力下的試件表面溫度變化曲線Fig.4 Temperature change curves of the specimen surface in different stresses

根據熱力學第一定律、熱力學第二定律及材料的本構方程，可得出材料在疲勞過程中的熱耦合方程[13]：

(1)

式中：ρ代表材料質量密度；C代表材料比熱；σ代表柯西應力張量；K代表熱傳導張量；ψ為亥姆霍茲自由能函數。方程左邊項表示試件表面的溫度變化，右邊項表示影響溫度變化的各種熱源。d為固有耗散源；Sthe為熱彈性源；Sic為內耦合源；re為外部熱源。

疲勞加載過程中的溫升值ΔT主要由熱彈性源引起的溫度變化ΔTthe和固有耗散源所引起的溫度變化ΔTd兩個部分組成[14,15]。熱彈性源是由彈性應變能引起的，由于彈性變形完全可逆，內部結構的變形可迅速恢復，因此，彈性應變能對疲勞損傷幾乎沒有影響。固有耗散源是由塑性應變能引起的，由于其變形不可逆，是疲勞損傷的主導因素，可以通過疲勞加載過程中的能量耗散來表征疲勞損傷[16]。塑性應變能引起的能量耗散大部分轉化為熱能，這部分熱能在材料中產生溫度場，引起試樣溫度的變化。材料的塑性變形主要是通過滑移的方式進行的，而滑移是位錯沿滑移面移動的結果，因此晶粒內部位錯運動將直接影響熱耗散的程度。當位錯運動較為容易并且滑移系較多時，熱耗散能較大；位錯運動較難并且滑移系較少時，熱耗散能降低。因此，位錯的運動決定疲勞損傷的程度。

443鐵素體不銹鋼是體心立方晶體結構，具有較高的層錯能，易發生錯交滑移。443鐵素體不銹鋼在循環拉伸載荷作用下，位錯從鐵素體晶界增值向晶粒內部滑移而構成滑移帶，螺位錯交滑移形成位錯割階，循環應力加載使晶體中產生大量的空位而形成位錯圈[12,17]。當循環加載應力小于疲勞極限時，鐵素體中的主要位錯結構是位錯纏結，循環應力不足以使位錯結構發生進一步演化，即沒有位錯胞的產生。當循環加載應力高于疲勞極限時，在經過一定的循環周數之后合金中便形成位錯纏結，隨著循環應力幅和加載周數的增加，位錯密度增加，隨后出現位錯胞，且位錯胞數目逐漸增多，尺寸細化[18]。由于位錯胞壁是高密度位錯區域，在外加載荷作用下容易萌生微觀裂紋，這些裂紋的擴展、合并形成宏觀裂紋，導致材料最終失效。

綜上所述，材料在疲勞過程中由位錯運動引起的溫度變化可反映材料的疲勞損傷程度，因此，利用紅外熱像法可對443鐵素體不銹鋼的疲勞強度和疲勞壽命進行預測。

3 實驗結果及討論

3.1 傳統疲勞試驗法擬合S-N曲線

S-N曲線關系式采用回歸曲線法得到，工程上常用有指數型的經驗關系式：

(2)

式中：C和m為材料常數；σmax為最大加載應力；Nf為試件斷裂時的循環次數。

443鐵素體不銹鋼疲勞試驗結果如表3所示，采用傳統實驗法得到的疲勞壽命擬合S-N曲線如圖5所示。

表3 443鐵素體不銹鋼疲勞試驗結果Table 3 Fatigue test results of 443 stainless steel

圖5 443鐵素體不銹鋼S -N曲線Fig.5 S -N curve of 443 ferritic stainless steel

傳統實驗法擬合的S-N曲線方程為:

lgσmax=2.99-0.08lgNf

(3)

由擬合方程可得到443鐵素體不銹鋼在5×106循環次數下疲勞強度為284.45MPa。

3.2 基于紅外熱像法的疲勞強度

利用表3中的平均溫升值繪制應力-溫升圖，采用雙線法[19]獲取材料的疲勞強度，以平均溫升值的突變作為界限，分別將突變前后的平均溫升值進行線性擬合，兩條直線交點所對應的橫坐標即為材料在5×106循環次數下的疲勞強度，如圖6所示。

圖6 雙線法預測疲勞強度Fig.6 Fatigue strength determined by double line method

在圖6中，當加載應力高于5×106循環次數下的疲勞強度時，擬合方程為：

ΔT=-258.52+0.85σmax

(4)

當加載應力低于5×106循環次數下的疲勞強度時，擬合方程為:

ΔT=-15.41+0.07σmax

(5)

兩直線交點A即為443鐵素體不銹鋼在5×106循環次數下的疲勞強度311.68MPa，與傳統實驗法擬合S-N曲線所得到的結果相對誤差為8.74%。

3.3 基于紅外熱像法擬合ΔT-Nf曲線

在熱力學第一定律的基礎上，可得出平衡溫升值和最大加載應力之間的關系式[20]：

(6)

式中:指數n是材料常數；ΔT為平衡溫升值。結合公式(2)和(6)，可得到ΔT與Nf之間的關系：

(7)

式中，c，d均為常數。將等式兩邊取對數，則得到：

lgΔT=-clgNf+e

(8)

根據表3中溫升穩定階段平均溫升值擬合的ΔT-Nf曲線如圖7所示。

圖7 443鐵素體不銹鋼ΔT-Nf曲線Fig.7 ΔT-Nf curve of 443 ferritic stainless steel

(9)

當疲勞循環次數為5×106時，由式(9)可知引起試樣疲勞斷裂的溫度突變點ΔT為3.18℃，即試樣在承受循環載荷時，當穩定階段Ⅱ的溫度升值ΔT超過3.18℃時，試樣會發生疲勞斷裂，當ΔT低于3.18℃時，試樣不會斷裂。在疲勞試驗過程中，試樣經過5×106次循環時實測最高溫升值為3.49℃，誤差為8.89%。

3.4 基于紅外熱像法擬合S-N曲線

由式(9)可得出不同溫升值下的疲勞壽命見表4。用ΔT-Nf曲線法得到的疲勞壽命擬合S-N曲線方程為：

lgσmax=-0.08lgNf+2.98

(10)

由公式(10)可知，當疲勞循環次數為5×106時，得到的疲勞強度為277.97MPa。與傳統實驗法擬合S-N曲線所得結果284.45MPa相比，誤差為2.28%。分別用傳統實驗方法和ΔT-Nf曲線法得到的疲勞壽命繪制S-N曲線如圖8所示，結果具有很好的一致性。

表4 傳統法和ΔT-Nf曲線法疲勞壽命對比Table 4 Comparison of fatigue life determined by traditional method and ΔT-Nfcurve method

圖8 傳統法和ΔT-Nf曲線法S -N曲線對比Fig.8 Comparison of S -N curves determined by traditional method and ΔT-Nf curve method

表5為兩種方法所得S-N曲線的線性相關性對比結果，ΔT-Nf曲線法擬合直線的線性相關系數要大于傳統法。

表5 S -N曲線的線性相關性Table 5 The linear correlation of S -N curves

在實際的工程應用中，只需得到階段Ⅱ的穩定溫升值即可根據公式(8)計算得到疲勞壽命，并預測鐵素體不銹鋼的疲勞強度，相比于傳統疲勞測試方法，具有快速、簡單的特點。

4 結論

(1)當疲勞載荷高于5×106循環次數下的疲勞強度，443鐵素體不銹鋼的溫度曲線分為4個階段：階段Ⅰ-初始溫升階段，階段Ⅱ-溫度穩定階段，階段Ⅲ-溫度迅速上升階段，階段Ⅳ-溫度下降階段。

(2)擬合ΔT-Nf曲線，根據溫度穩定階段的平均溫升值快速預測443鐵素體不銹鋼的疲勞壽命。循環次數達到5×106時，443鐵素體不銹鋼的疲勞斷裂極限溫度為3.18℃，與實測值3.49℃相對誤差為8.89%。

(3)利用ΔT-Nf曲線法預測的443鐵素體不銹鋼在5×106循環次數下的疲勞強度為277.97MPa，與傳統法測得的結果284.45MPa相對誤差為2.28%。

(4)根據熱像法和傳統實驗法得到的疲勞壽命分別繪制S-N曲線，結果具有很好的一致性。

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Heat Generation Rule and Fatigue Performance Prediction of 443 Ferritic Stainless Steel Under Tension-tension Cyclic Loading

ZHANG Jie1，YAN Zhi-feng1，WANG Wen-xian1，WANG Zhi-bin2， WANG Kai1，ZHANG Hong-xia1，ZHANG Xin-bao2

(1 College of Material Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China；2 Shanxi Taigang Stainless Steel Co.，Ltd.,Taiyuan 030003,China)

The surface temperature field of 443 ferritic stainless steel was studied using infrared thermography during fatigue testing.ΔT-Nfcurve method was put forward to predict the fatigue life. The results show that the ultimate temperature increment is ΔT=3.18℃,that is, when ΔTis more than 3.18℃,fatigue fracture occurs on the specimen, compared with the actually measured temperature increment of 3.49℃, the error is 8.89%. The percentage difference between the experimental result 284.45MPa and the predicted result 277.97MPa is 2.28% when fatigue cycles is up to 5×106.

443 ferritic stainless steel;temperature field;fatigue strength;infrared thermography

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.02.013

TG113.25

A

1001-4381(2015)02-0079-06

國家自然科學基金資助項目(51175364)；山西省研究生優秀創新項目(20123031)

2014-01-14;

2014-05-25

王文先(1963-)，男，教授，主要從事材料連接及界面行為研究，聯系地址：山西省太原市迎澤西大街79號，太原理工大學材料科學與工程學院502室(030024)，E-mail：wangwenxian@tyut.edu.cn