304不銹鋼U形波紋管疲勞失效研究

倪洪啟齊寅龍王鳳雙

（1.沈陽化工大學，沈陽 110142；2.秦皇島北方管業有限公司，秦皇島 066004）

304不銹鋼U形波紋管疲勞失效研究

倪洪啟1齊寅龍1王鳳雙2

（1.沈陽化工大學，沈陽 110142；2.秦皇島北方管業有限公司，秦皇島 066004）

本文對304不銹鋼U形波紋管進行疲勞性能試驗后，使用斷口分析、金相分析等手段對試樣進行分析。結果表明：疲勞斷裂的波紋管裂紋在內部隨機產生；脹形后的波紋管晶粒內有滑移帶等缺陷的生成，是導致疲勞斷裂發生的主要原因。

U形波紋管 疲勞失效 斷口分析 金相分析

引言

U形波紋管是一種具有橫向波紋、薄壁的管體，能在外載荷作用下產生較大的軸向、側向以及組合位移，材質一般多為不銹鋼[1-3]。U形波紋管作為一種金屬構件，其疲勞失效是不可避免的。由于U形波紋管常在持續的交變應力作用下工作，且疲勞失效產生的缺陷初始出現在材料內部，在表面并無明顯特征，所以疲勞失效對U形波紋管工作時的安全性、可靠性構成了致命的威脅[4-5]。

本文用304不銹鋼U形波紋管進行疲勞試驗，采用斷口分析、金相分析等手段，分析304不銹鋼U形波紋管疲勞失效的原因。

1 試驗材料與方法

試驗將304不銹鋼U形金屬波紋管管外包覆金屬網套，管垂直于地面，上端固定在金屬架上，下端由刨床行走機構帶動，試樣偏移150mm，頻率33次/2min。從脹形后波紋管上沿軸線方向切取出寬度為15mm的一段試樣進行金相分析。試樣疲勞斷裂后，對破裂波紋管試樣進行斷口分析。

2 結果與分析

2.1 疲勞斷口

清洗斷口，在掃描電鏡（SEM）下觀察斷口形貌，如圖1、圖2所示。斷面較為平坦，有明顯的疲勞停止線和脊狀花樣，高倍下可觀察到清晰的疲勞條紋。斷口疲勞起裂于波紋管的外、內表面，其中外表面附近的起裂斷面可觀察到準解理斷口，內表面附近的斷面呈現線性疲勞起裂形態。疲勞裂紋從內外表面向內部擴展，其中外表面的疲勞裂紋擴展較深。瞬斷區的微觀形態均為韌窩斷口。

圖1 掃描電鏡下的斷口形貌

圖2 擴展區斷口形態

綜上疲勞斷口分析表明，疲勞源位于波谷的內、外表面，內、外表面的裂紋均向內部方向擴展，波紋管是在雙向交變應力作用下發生疲勞斷裂。

2.2 金相

通過對脹形后波紋管試樣進行金相分析，可觀察到圖3所示晶體組織結構，在圖中晶粒里面存在明顯的滑移帶。從金相圖來看，脹形后的波紋管內部有滑移帶以及其他內部缺陷的存在，說明在管材加工過程中產生了大量的內部缺陷。

圖3 脹形后波紋管試樣金相

3 結論

（1）破裂波紋管試樣的波峰、波中和波谷均觀察到很明顯的裂紋存在，波紋管屬于雙向交變應力作用下的疲勞斷裂，起裂區同時出現于波谷谷底的外、內表面。雖然裂紋是隨機產生在任何部位的，但是起裂區位于波谷，說明波谷是控制波紋管疲勞壽命的關鍵位置。

（2）加工成型過程中管件已經產生了變形，使得脹形后波紋管試樣晶粒里面有滑移帶的存在。這些界面成為疲勞裂紋萌生的有利地點，大大增加了疲勞裂紋萌生的可能性。

[1]田坤，竺長安.U形波紋管疲勞壽命研究[J].傳感器與微系統，2011，30（2）：17-19.

[2]曹文暉，於孝春.波紋管疲勞壽命可靠性分析[J].化工自動及儀表，2010，37（7）：56-58.

[3]宋林紅，黃乃寧，王志云，等.金屬波紋管低周疲勞壽命及可靠性的研究[J].壓力容器，2011，28（1）：12-17.

[4]衣林，陳躍良，徐麗，等.金屬材料疲勞微裂紋的萌生與擴展研究[J].飛機設計，2012，32（2）：63-67.

[5]馬駿，孫毅.金屬材料疲勞損傷的宏細觀理論[J].力學進展，2002，32（3）：391-401.

Study on Fatigue Failure of 304 Stainless Steel U Shaped Bellows

NI Hongqi1, QI Yinlong1, WANG Fengshuang2
(1.Shenyang Chemical University, Shenyang 110142; 2.Qinhuangdao North Pipe Industry Co., Ltd., Qinhuangdao 066004)

In this paper, the fatigue performance of 304 stainless steel U bellows was tested, and the samples were analyzed by means of fracture analysis and metallographic analysis. The results show that the crack in the fatigue fracture is randomly generated internally, and the generation of defects such as the slip band in the grain of the bellows is the main reason for the occurrence of fatigue fracture.

U shaped bellows, fatigue failure, fracture analysis, metallographic analysis