金属学报, 2019, 55(6): 773-782 DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00377

316L奥氏体不锈钢非对称载荷下的疲劳与循环塑性行为

彭剑,1,2, 高毅1, 代巧2,3, 王颖1, 李凯尚1

1. 常州大学机械工程学院 常州 213164

2. 常州大学江苏省绿色过程装备重点实验室 常州 213164

3. 江苏理工学院机械工程学院 常州 213001

Fatigue and Cycle Plastic Behavior of 316L Austenitic Stainless Steel Under Asymmetric Load

PENG Jian,1,2, GAO Yi1, DAI Qiao2,3, WANG Ying1, LI Kaishang1

1. School of Mechanical Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, China

2. Jiangsu Key Laboratory of Green Process Equipment, Changzhou University, Changzhou 213164, China

3. School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Technology, Changzhou 213001, China

通讯作者: 彭 剑,jpeng@cczu.edu.cn,主要从事金属材料蠕变及疲劳行为研究

责任编辑: 肖素红

收稿日期: 2018-08-16   修回日期: 2018-10-28   网络出版日期: 2019-05-28

基金资助: 国家自然科学基金项目.  Nos.51805230
国家自然科学基金项目.  51505041
江苏省高校自然科学基金项目.  No.16KJB460002

Corresponding authors: PENG Jian, Tel: 15295015631, E-mail:jpeng@cczu.edu.cn

Received: 2018-08-16   Revised: 2018-10-28   Online: 2019-05-28

Fund supported: National Natural Science Foundation of China.  Nos.51805230
National Natural Science Foundation of China.  51505041
Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education Institutions of China.  No.16KJB460002

作者简介 About authors

彭剑,男,1987年生,博士

摘要

对316L奥氏体不锈钢非对称拉-拉疲劳载荷作用下的疲劳和循环塑性行为进行研究。通过疲劳寿命、循环应变幅、平均应变、平均应变率和失效应变的差异划分高、低应力区:在高应力区,平均应变、平均应变率和失效应变大,存在显著的循环塑性变形,疲劳寿命短;在低应力区,循环塑性变形累积有限,疲劳寿命显著增加。通过失效区域的显微组织观察和断口分析发现:在高应力区断口附近产生了大量的孔洞,断口以韧窝为主要特征;在低应力区存在疲劳裂纹,其扩展方向垂直于加载方向,断口由起裂点、疲劳裂纹扩展区、过渡区和快速断裂区组成。316L奥氏体不锈钢高应力区为循环塑性变形主导区,失效形式为循环塑性累积产生的韧性失效;低应力区为疲劳主导区,失效形式为疲劳裂纹扩展失效。

关键词: 316L奥氏体不锈钢 ; 疲劳 ; 循环塑性变形 ; 失效模式

Abstract

Due to excellent mechanical property and corrosion resistance of 316L austenitic stainless steel, it is widely used in chemical industry, but its fatigue behavior under asymmetric cycle load is not well understood. In this work, the fatigue and cyclic plastic deformation behavior of 316L austenitic stainless steel under asymmetric tensile-tensile cycle loading are studied, focusing on the variations of fatigue life, cycle plastic deformation and fracture mechanism with applied cycle load. The high and low stress regions can be clearly divided based on the differences of fatigue life, cyclic strain amplitude, mean strain, mean strain rate and failure strain. In the high stress region, mean strain, mean strain rate and failure strain are large, resulting in the significant cyclic plastic deformation, and the fatigue life is short. In the low stress region, the cyclic plastic deformation accumulation is limited, and the fatigue life is significantly increased. Through microstructural observations near fracture area and fracture surface analyses, the differences between large stress region and low stress region can be found. In the high stress region, a large number of voids are generated near the fracture surface, and the fracture surface is mainly featured by dimples. In contrast, in the low stress region, the fatigue crack is found near the fracture surface, and its propagation direction is perpendicular to the loading direction. The fatigue crack initiation site, the fatigue crack propagation zone, transition zone and rapid fracture zone are found on the fracture surface. Results of fracture mechanism analyses suggest that, the high stress region of 316L austenitic stainless steel is the cyclic plastic deformation dominant region, and the failure mechanism is the ductile failure caused by the accumulation of cyclic plastic deformation; while the low stress region is the fatigue dominant zone, and the failure mechanism is the fatigue crack propagation failure.

Keywords: 316L austenitic stainless steel ; fatigue ; cyclic plastic deformation ; failure mode

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本文引用格式

彭剑, 高毅, 代巧, 王颖, 李凯尚. 316L奥氏体不锈钢非对称载荷下的疲劳与循环塑性行为. 金属学报[J], 2019, 55(6): 773-782 DOI:10.11900/0412.1961.2018.00377

PENG Jian, GAO Yi, DAI Qiao, WANG Ying, LI Kaishang. Fatigue and Cycle Plastic Behavior of 316L Austenitic Stainless Steel Under Asymmetric Load. Acta Metallurgica Sinica[J], 2019, 55(6): 773-782 DOI:10.11900/0412.1961.2018.00377

金属材料在循环载荷作用下产生疲劳损伤,造成高、低周疲劳破坏[1],奥氏体不锈钢具备良好的耐腐蚀和耐高温性能,其疲劳损伤以及疲劳寿命预测受到研究人员的广泛关注。Li等[2]研究了纳米孪晶奥氏体不锈钢的疲劳行为,通过显微组织分析发现,孪晶抑制滑移带和裂纹的生成,从而提高了奥氏体不锈钢的抗疲劳性能。Xie等[3]研究了冷变形对应变疲劳行为的作用机理,发现冷变形过程中的孪晶组织对后续疲劳过程中位错行为的演化规律产生影响。Mazánová等[4]研究了多轴载荷作用下奥氏体不锈钢的疲劳损伤,将循环硬化行为与马氏体转变进行了关联,认为疲劳裂纹的萌生和扩展与滑移带有关。Xie等[5]研究发现,在循环加载过程中奥氏体不锈钢的焊接接头残余应力得到了释放,Zhang等[6]在此基础上构建了考虑残余应力的疲劳损伤以及寿命预测模型。

许多工程构件在服役过程中承受非对称循环载荷作用,材料除了受到疲劳损伤,还会产生循环塑性变形的累积,即产生棘轮行为[7]。研究发现,金属在循环载荷作用下,会产生塑性变形的累积,并加速疲劳损伤失效寿命,如碳钢[8]、奥氏体不锈钢[9]、铝合金[10]、镁合金[11,12]、锆合金[13]等。因此,研究材料在非对称循环载荷作用下的损伤行为,应同时考虑疲劳损伤、循环塑性变形以及两者间的相互作用。Zhu等[14]基于延性耗竭理论,提出了一种基于平均棘轮应变率的疲劳寿命预测模型,来解释平均应力和棘轮对疲劳寿命的影响。Ding等[15]利用有限元方法模拟了考虑棘轮和循环硬化的316L奥氏体不锈钢弯曲微动疲劳损伤过程,实现了疲劳裂纹萌生位置和寿命的预测。Facheris等[16]分析了棘轮效应对316L奥氏体不锈钢低周疲劳过程中位错结构演变规律的影响。Luo等[17]利用非接触数字图像相关技术,研究了SUS301L不锈钢对接焊缝在非对称单轴应力控制循环加载条件下的棘轮效应。Kang等[18]的研究表明,SS304不锈钢的棘轮应变和疲劳寿命取决于单轴循环载荷的平均应力、应力幅和应力比,随着载荷的增加其失效模式会发生变化。材料的棘轮变形对应力循环下的低周疲劳有较大影响,普遍认为疲劳寿命随平均应力的增加而下降[19],但是Yuan等[20]研究锻造316LN不锈钢在不同载荷模式下的低周疲劳行为时发现,随着平均应力的增加,棘轮应变水平增加,但疲劳寿命得到延长。因此,不同材料的疲劳与棘轮行为的关系存在差异。

目前已对奥氏体不锈钢的疲劳与循环塑性变形行为开展了系列的研究,但对316L奥氏体不锈钢非对称循环载荷作用下的疲劳寿命、循环塑性行为、失效模式等特征随着载荷的变化规律仍有待进一步研究,充分了解其疲劳和循环塑性行为对保障奥氏体不锈钢设备的完整性具有重要作用。本工作对非对称载荷作用下316L奥氏体不锈钢的疲劳与循环塑性行为进行研究,结合疲劳寿命、循环塑性变形和显微观察,探讨疲劳寿命、循环塑性行为、损伤行为和失效模式随载荷的变化规律。

1 实验方法

实验所用材料为热轧316L奥氏体不锈钢,其化学成分(质量分数,%)为:Cr 17.27,Ni 10.48,Mo 2.16,Mn 0.82,Si 0.65,C 0.018,P 0.03,Fe余量。为了观察316L奥氏体不锈钢的显微组织,采用线切割获取金相试样,并将样品依次采用800~2000号金相水磨砂纸打磨,随后使用粒度1.5 µm的SiO2抛光剂在抛光布上抛光,金相腐蚀溶液采用HCl和HNO3以3∶1的体积比配制的王水溶液,采用VHX-700F光学显微镜(OM)观察试样沿轧制方向上的显微组织,在晶粒尺寸计算过程中,使用截距法评估粒度。在试样断口分析中,采用SUPRA55扫描电子显微镜(SEM)观察断口形貌。根据GB/T 15248-2008采用线切割加工板状疲劳试样,试样轴向方向与轧制方向相同,试样的标距段长度为16 mm、宽度为10 mm、厚度为5 mm。316L奥氏体不锈钢疲劳实验在EHF-EG250-40L伺服疲劳试验机上采用拉-拉疲劳加载的方式进行,疲劳波形采用三角波,应力比取0.1,加载频率取5 Hz。316L奥氏体不锈钢的疲劳实验方案及疲劳寿命列于表1中。

表1   316L奥氏体不锈钢疲劳实验方案及疲劳寿命(应力比R=0.1)

Table 1  Fatigue experimental scheme and fatigue life of 316L austenitic stainless steel (stress ratio R=0.1)

No.σa / MPaσmax / MPaσmin / MPaNf / cyc
1270.0060060.0314
2-R1261.0058058.0424
2-R2261.0058058.0622
2-R3261.0058058.0664
3-R1256.5057057.0586
3-R2256.5057057.06404
3-R3256.5057057.04664
4-R1252.0056056.026524
4-R2252.0056056.017204
4-R3252.0056056.023864
5247.5055055.034606
6236.2552552.550424
7225.0050050.055759
8213.7547547.589548
9202.5045045.093578
10191.2542542.5124136

Note: σa—stress amplitude; σmax—maximum stress; σmin—minimum stress; Nf—number of cycles to failure

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2 实验结果及讨论

2.1 316L奥氏体不锈钢拉伸性能及显微组织

316L奥氏体不锈钢的显微组织如图1所示,平均晶粒尺寸约为34.5 µm。通过在室温应变速率为1.0×10-3 s-1下进行拉伸实验,获得316L不锈钢的屈服强度为258.5 MPa,抗拉强度为909.9 MPa,断后伸缩率为69.1%。

图1

图1   316L奥氏不锈钢显微组织的OM像

Fig.1   OM image of 316L austenitic stainless steel


2.2 316L奥氏体不锈钢循环应力-应变响应

2给出了316L奥氏体不锈钢循环应变幅随循环次数的演化规律。对比不同应力下的疲劳实验结果可以发现,当循环最大载荷低于560 MPa时,在循环加载初期应变幅迅速增大,随后循环应变幅变化幅趋于稳定,呈现缓慢上升趋势,在疲劳失效前应变幅再次迅速上升直至断裂;但当循环最大载荷高于570 MPa时,应变幅度持续增大并很快发生断裂,未发现应变幅稳定的区域,如图2中插图所示。

图2

图2   316L奥氏体不锈钢循环应变幅与循环周次(N)的关系

Fig.2   Relationship between cyclic strain amplitude and cyclic number (N) of 316L austenitic stainless steel (Inset shows the strain amplitude evolution above 570 MPa)


2.3 316L奥氏体不锈钢非对称载荷下的循环塑性应变行为

许多金属材料如不锈钢[21,22]、镁合金[23]、铜合金[24]等,在非对称循环加载疲劳实验中会产生棘轮行为。棘轮应变被定义为应变轴上滞后环中心位置的偏移量[20,25,26]。参照棘轮应变的概念,循环载荷过程中材料在各循环周期的塑性累积应变采用各循环的平均应变表示,平均应变(ε¯)和平均应变率(ε¯')可采用下式计算[14]

ε¯=(εmax+εmin)/2
ε¯'=dε¯/dN

式中,εmaxεmin分别为疲劳循环中的轴向最大和最小应变,N为循环周次。图3给出了316L奥氏体不锈钢在不同循环载荷作用下平均应变随循环周次的演变规律。从图3可以看出,平均应变随着循环次数的增加而累积,但不同应力区域存在着区别:在低应力区(循环最大载荷560 MPa以下),平均应变在初始循环过程中迅速增加,但很快进入稳定阶段,以一个稳定的应变速率发展;而在高应力区(循环最大载荷570 MPa以上),平均应变持续增加直至断裂,未发现稳定应变速率阶段,如图3中插图所示。

图3

图3   316L奥氏体不锈钢在不同循环载荷作用下平均应变的演化规律

Fig.3   Evolutions of mean strain with cyclic number at different cycle loads of 316L austenitic stainless steel (Inset shows the mean strain evolution above 570 MPa)


图4对比了高、低应力区平均应变和平均应变率与循环次数的关系。如图4a所示,在低应力区,平均应变演化可以分为3个阶段:初始阶段、稳态阶段、快速失效阶段。初始阶段平均应变迅速增加但持续时间很短;稳态阶段持续时间占据了寿命的很大一部分,此阶段平均应变率处于较低的水平且基本保持恒定;在快速失效阶段,由于疲劳裂纹扩展导致试样的疲劳破坏。如图4b所示,在高应力区,平均应变快速增加直至韧性断裂,未发现明显的稳态阶段和快速失效阶段,平均应变率经过初始阶段的快速下降后保持稳定。因此在高、低应力区循环塑性变形行为的差别显著,在结构钢和工业纯Ti等材料的循环塑性变形行为中也发现了相似的现象[27,28,29]

图4

图4   低应力区和高应力区平均应变和平均应变率随循环次数的演化规律

Fig.4   Evolutions of mean strain and mean strain rate with cyclic number

(a) plastic strain accumulation behavior in low stress region (450 MPa)

(b) plastic strain accumulation behavior in high stress region (570 MPa)


5给出了失效平均应变和半寿命周期时平均应变率与最大循环应力的关系,其中失效平均应变为0.9Nf (Nf 为疲劳寿命)时对应的平均应变[30,31]。在低应力区,半寿命周期的平均应变率处于非常低的水平,并且与载荷无显著相关性;但在高应力区,半寿命周期的应变率随加载应力增加而显著增加。同时失效平均应变也在2个应力区域发生了突变现象。

图5

图5   失效平均应变和半寿命周期平均应变率与最大循环应力的关系

Fig.5   Relationship of failure mean strain and mean strain rate at half-life cycle with maximum cyclic stress


因此,综合以上的分析,可以在最大循环应力560 MPa和570 MPa之间划分2个应力区:在高应力区,存在显著的循环塑性变形,是由循环塑性变形主导的失效过程;但在低应力区,棘轮行为有限,失效模式中疲劳行为占主导地位。Dutta和Ray[32]认为,非对称载荷作用下棘轮应变积累取决于位错的形成及其再分布。Kang等[33]采用透射电镜(TEM)研究了316L不锈钢在棘轮变形过程中位错的演化规律,包括:随着棘轮应变增加,位错密度随之增加,并且位错滑移形式由平面滑移向交滑移模式转变;位错的结构由离散的位错线向位错缠绕、位错缠结、位错墙、位错胞发生转变。Dutta等[34]通过X射线衍射(XRD)分析结合Williamson-Hall方法讨论了X12CrMnNiN17-7-5奥氏体不锈钢棘轮过程中位错密度的演化规律,发现在棘轮变形过程中晶体内部的位错密度不断提高,并且认为螺型位错是循环塑性变形的主要来源。Gaudin和Feaugas[35]研究了峰值应力和平均应力对316L棘轮应变的影响,并结合TEM定量与定性分析,发现存在一个峰值应力的门槛值,超过该应力棘轮效应显著,并伴随着位错交滑移现象和极化位错结构的微观变形机制,由此说明随着应力的提高,位错运动机制会发生变化,从而产生循环塑性变形的变化。Shao等[36]研究了高氮奥氏体不锈钢棘轮变形机理,发现在低应力下主要为独立的平面滑移位错组织,但是在高应力下将产生位错交叠、变形孪晶、孪晶带以及波浪滑移位错组织。因此,除了位错组织,变形孪晶是奥氏体不锈钢在高应力区棘轮变形的一个重要微观机理。本工作所研究的316L奥氏体不锈钢循环塑性行为随外加载荷的变化主要是由于其变形机制的转变而造成的,随着循环峰值应力的增加,奥氏体不锈钢新的位错运动行为被激活,当峰值应力超过特定值时还会产生变形孪晶组织。

2.4 最大应力和平均应力对循环塑性变形的影响

在拉-拉疲劳载荷作用下,循环塑性应变的累积是平均应力与最大应力综合作用的结果。为了对比疲劳过程中最大应力以及平均应力影响的差异,设计了2种阶梯疲劳实验方法来研究平均应力与最大应力对循环变形行为的影响。图6a给出了在平均应力(σm)恒定为308 MPa时,最大应力从425 MPa阶梯增加到580 MPa的10种阶梯疲劳载荷加载示意图;图6b给出了在最大应力恒定为560 MPa时,平均应力从308 MPa阶梯增加到368.75 MPa的7种阶梯疲劳载荷加载示意图。每种载荷状态的循环次数为1000 cyc。

图6

图6   平均应力不变、最大应力增加和最大应力不变、平均应力增加时阶梯疲劳载荷加载示意图

Fig.6   Schematics of step fatigue loading

(a) σmax increases, while mean stress σm=308 MPa (b) σm increases, while σmax=560 MPa


7对比了2种阶梯疲劳加载情况下的循环应变幅随阶梯疲劳载荷的演化规律。由图7a可以看出,在平均应力保持不变、最大应力不断增加的过程中,循环应变幅不断增加,由此说明循环应变幅受到最大应力的影响显著。由图7b可以看出,在最大应力保持不变、平均应力不断增加的过程中,循环应变幅并未增加反而呈现出由于加载历程影响的下降趋势。通过2种阶梯加载结果的对比可以发现,循环应变幅的变化规律主要受到最大应力的影响,而平均应力影响不显著。

图7

图7   平均应力不变、最大应力增加和最大应力不变、平均应力增加时阶梯疲劳循环应变幅演化规律

Fig.7   Evolution of the cyclic strain amplitude for step fatigue experiments

(a) σmax increases, while σm=308 MPa (b) σm increases, while σmax=560 MPa


8对比了2种阶梯加载情况下的平均应变随加载特征变化的演化规律。由图8a可以看出,在平均应力保持不变、最大应力不断增加的过程中,平均应变显著增加,由此说明平均应变受到最大应力的影响显著。由图8b可以看出,在最大应力保持不变、平均应力不断增加的过程中,平均应变同样存在上升的趋势但变化幅度不大。通过2种阶梯疲劳实验结果的对比可以发现,平均应变的累积增长规律同时受到最大应力和平均应力的影响,最大应力产生的影响更加显著。

图8

图8   平均应力不变、最大应力增加和最大应力不变、平均应力增加时阶梯疲劳载荷下平均应变演化规律

Fig.8   Evolution of the mean strain for step fatigue experiments(a) σmax increases, while σm=308 MPa(b) σm increases, while σmax=560 MPa


2.5 疲劳寿命与失效机理分析

316L奥氏体不锈钢疲劳寿命列于表1中。对高、低应力区边界处最大应力为560、570和580 MPa的疲劳实验进行了3组重复性实验。由重复实验数据发现,最大应力为560 MPa时最大与最小疲劳寿命比值为1.57,最大应力为580 MPa时最大与最小疲劳寿命比值为1.54,但当最大应力为570 MPa时最大与最小疲劳寿命比值激增为10.9,数据的离散性扩大。根据图2,3和5的结果可以看出,当最大应力达到570 MPa时,奥氏体不锈钢的循环应变幅和平均应变迅速增加,同时失效平均应变和半寿命周期时平均应变率也发生突变。当最大应力达到570 MPa时,奥氏体不锈钢在循环载荷作用下由疲劳损伤主导向循环塑性变形损伤主导发生转变。当最大应力小于570 MPa时由疲劳损伤主导,当最大应力大于570 MPa时由循环塑性变形损伤主导。由于在570 MPa附近为316L奥氏体不锈钢高、低应力区域的分界,导致了该处疲劳寿命离散性扩大。

9给出了316L奥氏体不锈钢疲劳寿命与疲劳载荷的关系,其中疲劳寿命列于表1中,最大应力为560、570和580 MPa的疲劳寿命重复性数据采用均值分析。可见,随着最大应力水平的增加,疲劳寿命不断降低。值得注意的是,疲劳寿命体现出了显著的高、低应力区域。在最大循环应力低于560 MPa的低应力区,疲劳寿命均在数万次;但是在最大循环应力高于570 MPa的高应力区,疲劳寿命剧烈下降了一个数量级。因此在560~570 MPa之间出现了疲劳寿命突变的现象,这与图3,4,5分析的循环塑性变形存在着密切的关系。

图9

图9   316L奥氏体不锈钢最大应力-疲劳寿命曲线

Fig.9   Maximum stress-fatigue life curve of 316L austenitic stainless steel


10给出了最大应力为580 MPa时高应力区试样断口表面的OM像。可以观察到孔洞以及孔洞聚合现象,同时晶粒变形显著,晶界不清晰,未发现疲劳裂纹。在高应力区的其它载荷作用下,其断口附近的金相组织与图10的结果相似,说明高应力区的失效模式为大变形引起的孔洞萌生与聚合造成的韧性失效。

图10

图10   最大应力为580 MPa时高应力区试样断口表面的OM像

Fig.10   OM image of fracture surface in the high stress region at σmax=580 MPa


11给出了最大应力为525 MPa时低应力区试样断口表面的OM像。可以看到,疲劳断口附近晶粒完整,未发生显著的变形并且疲劳断裂区域未发现微观孔洞。值得注意的是,在断口附近发现2条垂直于加载方向的起裂点,由显微组织可见低应力区的断裂模式属于疲劳起裂的穿晶断裂现象。在其它低应力区试样断口附近可以观察到与图11相似的结果。对比图10和11可以看出,在2个应力区断口附近的显微组织存在显著的区别,说明在2个应力区域试样的失效模式发生了转变。

图11

图11   最大应力为525 MPa时低应力区试样断口附近OM像

Fig.11   Low (a) and locally high (b, c) magnified OM images of fracture surface in the low stress region at σmax=525 MPa


12给出了最大应力为580 MPa时高应力区试样断口形貌的SEM像。从图12a所示的高应力区断口整体形貌可以看出,试样缩颈明显,未发现疲劳起裂和扩展区;从图12b和c可观察到断口充满韧窝,属于典型韧性断口。

图12

图12   最大应力为580 MPa时高应力区试样断口形貌的SEM像

Fig.12   Low (a) and locally high (b, c) magnified fracture SEM images in the high stress region at σmax=580 MPa


13给出了最大应力为525 MPa时低应力区疲劳试样断口形貌的SEM像。从图13a中可以看出,断口分为4个区域:裂纹起裂源、裂纹扩展区、过渡区和快速断裂区;图13b显示了疲劳裂纹起裂源,河流花样从起裂源向四周扩展;图13c显示了疲劳扩展区,疲劳辉纹间距约为0.6 µm,这与单次循环引起的裂纹扩展长度相对应,它表示循环加载下塑性变形的残余,体现了疲劳循环载荷的历史;图13d给出了过渡区的断口形貌,在过渡区域中疲劳辉纹和微小的韧窝同时存在;图13e显示了快速断裂区的微观形貌,快速断裂区存在大量韧窝。通过对比图12和13可以看出,随着最大应力的增加,316L奥氏体不锈钢的失效模式由低应力区的疲劳裂纹失效向高应力区的循环塑性变形失效发生转变。

图13

图13   最大应力为525 MPa时低应力区试样断口形貌的SEM像

Fig.13   Fracture SEM images in the low stress region at σmax=525 MPa

(a) overall fracture morphology (b) crack initiation site (c) crack propagation zone

(d) transition zone (e) instant fracture zone


结合显微组织观察与断口分析可以看出,316L奥氏体不锈钢在非对称载荷下存在2种断裂机制:高应力区(最大循环载荷570 MPa以上)是循环塑性变形行为引起的韧性断裂,失效机理过程以孔洞的产生以及聚合为主;低应力区(最大循环载荷560 MPa以下)以疲劳损伤为主,失效机理是疲劳微裂纹的产生与扩展。显微组织和断口分析结果与疲劳寿命和循环塑性变形行为分析的结果相吻合,说明316L奥氏体不锈钢在高、低应力区的变形行为和失效模式发生了转变。

3 结论

(1) 通过循环应变幅、平均应变、半寿命周期塑性平均应变率和失效平均应变的差异可将316L奥氏体不锈钢的疲劳与循环塑性行为划分高、低应力区。在高应力区,循环应变幅快速增加,平均应变、平均应变速率和失效平均应变大,存在显著的循环塑性变形,疲劳寿命短;在低应力区,循环过程中变形累积量小,循环塑性变形较弱,疲劳寿命长。

(2) 在高应力区,316L奥氏体不锈钢断口存在大量韧窝和孔洞,是由循环塑性变形累积引起的韧性断裂;在低应力区,发现疲劳起裂过程和疲劳裂纹扩展过程,是由疲劳裂纹扩展引起的疲劳损伤断裂。

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