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雙相不銹鋼

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2205雙相不銹鋼管在水溶液中的疲勞裂紋擴(kuò)展行為

來(lái)源:至德鋼業(yè) 日期:2020-09-11 17:50:05 人氣:1288

 浙江至德鋼業(yè)有限公司對(duì)2205雙相不銹鋼管在空氣、去離子水和3.5%氯化鈉溶液中進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,水溶液環(huán)境可顯著提高2205雙相不銹鋼管疲勞裂紋擴(kuò)展速率,降低其疲勞壽命,斷口觀察表明,氫致開裂是雙相不銹鋼材料在水溶液介質(zhì)中疲勞性能弱化的主要原因。與去離子水相比,氯離子具有更強(qiáng)的腐蝕作用,在主裂紋前端可誘發(fā)更多的缺陷并發(fā)展成二次裂紋,使有效裂紋長(zhǎng)度更長(zhǎng),裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力更小。


 由于材料與環(huán)境系統(tǒng)的多樣性及環(huán)境與循環(huán)載荷的交互作用,使得金屬材料的腐蝕疲勞行為十分復(fù)雜。在海洋和核電工業(yè)的復(fù)雜環(huán)境下,裝備材料的腐蝕疲勞是主要失效形式之一。腐蝕疲勞中,裂紋擴(kuò)展壽命占腐蝕疲勞總壽命的90%。研究金屬材料在水溶液中的疲勞裂紋擴(kuò)展行為對(duì)于其安全使用具有重要意義。2205雙相不銹鋼管因其優(yōu)良的耐蝕性和強(qiáng)度高以及經(jīng)濟(jì)實(shí)用性,在造船業(yè)和運(yùn)輸業(yè)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。目前,有關(guān)雙相不銹鋼的研究主要集中于抗腐蝕性能、熱處理工藝及熱處理對(duì)腐蝕性能的影響和其焊接性、焊縫性能的研究等,關(guān)于雙相不銹鋼管的腐蝕疲勞行為的研究尚不多見。至德鋼業(yè)對(duì)2205雙相不銹鋼管試樣在空氣、去離子水和3.5%氯化鈉溶液環(huán)境中進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn),研究介質(zhì)環(huán)境對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響及其斷裂機(jī)理。


一、實(shí)驗(yàn)方法


 實(shí)驗(yàn)材料為泰山鋼鐵集團(tuán)提供的2205雙相不銹鋼管,厚度10mm,其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為600和805MPa,延伸率為36%;鋼中鐵素體相與奧氏體相的兩相比約為1∶1。選用標(biāo)準(zhǔn)單邊缺口三點(diǎn)彎曲SE(B)試樣,按照GB/T6398-2000《金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法》加工,試樣尺寸如圖所示,裂紋擴(kuò)展方向垂直于軋制方向。疲勞試驗(yàn)在電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。采用正弦交變載荷,應(yīng)力比R=0.1。在初始載荷范圍ΔP=9000N時(shí)開始預(yù)制裂紋,并逐級(jí)降力至ΔP=3500N,每級(jí)降力率約為10%~20%,預(yù)制裂紋總長(zhǎng)度約為2mm。用COD規(guī)測(cè)量裂紋張開位移,用柔度法測(cè)定裂紋長(zhǎng)度a。依據(jù)GB/T6398-2000中附錄A七點(diǎn)遞增多項(xiàng)式法,進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得出疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN和應(yīng)力強(qiáng)度因子幅ΔK。在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中,試樣一直浸沒在環(huán)境槽中,并用恒流泵對(duì)溶液介質(zhì)進(jìn)行循環(huán),溶液流量為1.0~1.2mL/min。最后采用NOVANanoSEM430型掃描電鏡(SEM)對(duì)斷口進(jìn)行形貌分析。


二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果


 1. a-N曲線和da/dN-ΔK曲線的對(duì)比


  不同環(huán)境下2205雙相不銹鋼管試樣疲勞裂紋擴(kuò)展的a-N曲線如圖所示。試樣在裂紋擴(kuò)展約14mm后斷裂。其疲勞裂紋擴(kuò)展壽命在空氣中約為3.2×105次,在NaCl溶液中約為2.8×105次,在去離子水中約為1.9×105次。與空氣中試樣相比,2205雙相不銹鋼管的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命在NaCl溶液中降低了12.5%,在去離子水溶液中降低了40.6%。


 圖是不同環(huán)境下2205雙相不銹鋼管試樣da/dN-ΔK曲線的對(duì)比。溶液環(huán)境明顯加速了2205雙相不銹鋼管試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展。在相同ΔK,2205雙相不銹鋼管試樣在去離子水中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率最快。溶液環(huán)境增大近門檻區(qū)范圍,不但有降低門檻值的趨勢(shì),而且使近門檻區(qū)向穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)轉(zhuǎn)變的臨界ΔKc顯著提高。溶液環(huán)境下,裂紋尖端形成含鐵的腐蝕產(chǎn)物易引起閉合效應(yīng),可有效降低裂尖ΔK,可能是使近門檻區(qū)范圍變大的原因。在穩(wěn)態(tài)區(qū),疲勞裂紋擴(kuò)展通??梢杂肞aris公式da/dN=CΔKm擬合,C和m為線性擬合參數(shù),結(jié)果如表所示。


 2. 斷口形貌


 圖為2205雙相不銹鋼管試樣在空氣、氯化鈉溶液和去離子水中的斷口形貌對(duì)比。圖可以看出,在空氣中,2205雙相不銹鋼管試樣的疲勞斷口以脆性準(zhǔn)解理斷裂為主要特征,在近門檻區(qū)主裂紋面比較平整,河流花樣向裂紋擴(kuò)展方向流動(dòng),在垂直于主裂紋面方向可發(fā)現(xiàn)少量的不連續(xù)二次小裂紋;在穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū),二次小裂紋數(shù)量顯著增加;在失穩(wěn)區(qū)二次小裂紋以撕裂方式相連接形成大裂紋,可以看到多條明顯的、連續(xù)的撕裂棱。圖可以看出,在氯化鈉溶液中,2205雙相不銹鋼管試樣的疲勞斷口具有脆性準(zhǔn)解理、二次裂紋、撕裂棱等氫脆特征,在近門檻區(qū)主裂紋面上可發(fā)現(xiàn)少量的小點(diǎn)蝕坑,在垂直于主裂紋面方向可發(fā)現(xiàn)少量的不連續(xù)二次小裂紋;穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)主裂紋面上的點(diǎn)蝕坑數(shù)量顯著增加,點(diǎn)蝕坑長(zhǎng)大,二次小裂紋數(shù)量顯著增加;在失穩(wěn)區(qū),主裂紋面上的點(diǎn)蝕坑尺寸明顯增大,二次小裂紋逐漸連接形成多條細(xì)長(zhǎng)的、不連續(xù)的撕裂棱。圖4c可以看出,在去離子水中,2205雙相不銹鋼管試樣的疲勞斷口呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂,在近門檻區(qū)斷口表面比較平滑,未發(fā)現(xiàn)明顯的二次小裂紋;在穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)斷口表面粗糙不平,在平面中心線位置可以看到一條明顯的、粗大的山脊?fàn)钏毫牙庳灤┲潦Х€(wěn)區(qū)。



三、分析與討論


  氫致開裂是雙相不銹鋼材料在水溶液介質(zhì)中性能弱化的主要原因,2205雙相不銹鋼管在水溶液中疲勞裂紋加速擴(kuò)展現(xiàn)象主要與鐵素體相的氫脆有關(guān)。在水溶液中,循環(huán)載荷引起試樣表面鈍化膜破裂,裸露金屬可作為陽(yáng)極發(fā)生溶解反應(yīng),裂紋壁可作為陰極發(fā)生析氫反應(yīng),其電化學(xué)反應(yīng)如式。當(dāng)擴(kuò)散到裂尖的吸附氫Hads達(dá)到臨界濃度時(shí),裂尖金屬開裂,同時(shí)在裂紋面留下含F(xiàn)e的氧化物。這一過(guò)程反復(fù)進(jìn)行,疲勞裂紋向前擴(kuò)展。陽(yáng)極反應(yīng)M→Mz++ze-(1)水解反應(yīng)Mz++pH2O→M(OH)z-pp+pH+(2)陰極反應(yīng)H++e-→HadsHads+Hads→H2(3)其中,M代表不銹鋼基體的主要元素鐵、鉻或鎳。2205雙相不銹鋼管在兩種水溶液中裂紋擴(kuò)展能力差別與裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力有關(guān)。雙相鋼的兩相具有不協(xié)調(diào)變形能力,易于在相界處引起局部應(yīng)力集中,產(chǎn)生缺陷并發(fā)展成二次小裂紋,導(dǎo)致有效裂紋長(zhǎng)度增加,如圖所示。與去離子水相比,含氯離子介質(zhì)具有更強(qiáng)的腐蝕作用,在主裂紋前端易于誘發(fā)大量缺陷并形成更多二次裂紋,使有效裂紋長(zhǎng)度更長(zhǎng),裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力更小。


 2205雙相不銹鋼管在3.5%氯化鈉溶液中疲勞裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力比在去離子水介質(zhì)中更低,擴(kuò)展速度更慢,這與Paris公式擬合得到的數(shù)據(jù)一致。介質(zhì)環(huán)境的差異導(dǎo)致2205雙相不銹鋼管試樣斷裂機(jī)理發(fā)生改變。在3.5%氯化鈉溶液中,氯離子在主裂紋前端誘發(fā)更多缺陷,形成二次裂紋,產(chǎn)生多條細(xì)小的撕裂棱;而在去離子水中,只有主裂紋前端在失穩(wěn)區(qū)形成一條粗大的、山脊?fàn)畹乃毫牙狻?/span>


四、結(jié)論


  水溶液環(huán)境顯著提高2205雙相不銹鋼管疲勞裂紋擴(kuò)展速率,降低其疲勞壽命。兩相具有不協(xié)調(diào)變形能力,易于在相界處引起應(yīng)力集中,產(chǎn)生二次小裂紋,使有效裂紋長(zhǎng)度增加。與去離子水相比,氯離子具有更強(qiáng)的腐蝕作用,在主裂紋前端可誘發(fā)更多的缺陷并發(fā)展成二次裂紋,使有效裂紋長(zhǎng)度更長(zhǎng),裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力更小。


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