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奧氏體不銹鋼損傷機(jī)制的研究現(xiàn)狀與展望

文檔作者：岳丹．劉峰，付婧文檔來源：遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年10月21日
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第38卷第1期
2009年1月
油化上設(shè)備
PETRO L’HEMICAI EQUIPM ENT
Vo1．38 No．1
Jan．2009
， ” ” 一 一卜一、
t 技術(shù)綜述i
．． + ．．+ ．．+ ．．+ ．．+ ．．+ ，
文章編號(hào)：1000—7466(2009)01 0058 0～l
奧氏體不銹鋼損傷機(jī)制的研究現(xiàn)狀與展望
岳丹．劉峰，付婧
(遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械：[程學(xué)院，遼寧撫順 l1 3001)
摘要：對(duì)奧氏體不銹鋼在高溫疲勞蠕變交互作用下?lián)p傷機(jī)制的理論分析方法進(jìn)行了綜述。通過對(duì)
這些理論的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行介紹和分析，指出了這些不同理論方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)它們的發(fā)展趨勢(shì)作
了展望。
關(guān)鍵詞： 輿氏體不銹鋼；疲勞蠕變交互作用；損傷機(jī)制；疲勞壽命
中圖分類號(hào)：TG j11．8；TG 142．71 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
Present Research Status of Austenitic Stainless SteeI’S
Damage M echanism and Developm ent Trend
YUE Dan，L1U Feng—FU Jing
(School of M echanical Engineering． { iaoning University of Petroleum and
Chemical Techology。Fushun 11 3001。China)
Abstract： The theories of austenitic staiMess steel’S damage mechanism under creep—fatigue in—
teraction condition were summarized．The experimental methods of the theories were induced re—
spectively．The advantage and disadvantage of different theories and methods were pointed out．
The development trends of them were prospected．
Key words：austenitic stainless steel；creep—fatigue interaction；damage mechanism ；fatigue life
奧氏體不銹鋼在高溫條件下可以作為重要的結(jié)
構(gòu)材料應(yīng)用于核電廠和化工企業(yè)中，且構(gòu)件大部分
是在復(fù)雜的高溫應(yīng)力加載條件下服役。因此，疲勞
蠕變成為影響高溫設(shè)備疲勞壽命主要問題之一，理
解高溫疲勞蠕變失效的損傷過程對(duì)于選擇優(yōu)化設(shè)計(jì)
構(gòu)件用以改進(jìn)設(shè)備的穩(wěn)定性來講具有很重大的理論
意義和實(shí)際意義。
筆者在查閱和研究大量文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)．影響奧氏
體不銹鋼材料疲勞壽命的損傷機(jī)制主要可以分成兩
類，其中一類是具有表面粗糙度的表面裂紋萌生機(jī)
制，另一類則是晶界空洞形核及長大的損傷機(jī)制。
文中分別對(duì)其進(jìn)行闡述。
1 損傷機(jī)制介紹
1．1 表面粗糙度的表面裂紋萌生機(jī)制
疲勞失效在裂紋萌生和擴(kuò)展的階段產(chǎn)生。疲勞
壽命用達(dá)到裂紋萌生和擴(kuò)展的循環(huán)數(shù)來表達(dá)。在高
周疲勞循環(huán)中。表面裂紋在滑移帶萌生，隨后擴(kuò)展。
裂紋擴(kuò)展分成裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展及斷裂3個(gè)階段。
幾乎所有的疲勞壽命都耗費(fèi)在裂紋萌生和第一階段
的擴(kuò)展上。
疲勞壽命和表面粗糙度密切相關(guān)，主要原因是
材料表面的一些凹坑可以作為疲勞裂紋萌生的地
點(diǎn)。由于應(yīng)力集中，疲勞裂紋容易在這些地方萌生。
收稿日期：2008—07—26
作者簡介：岳丹(1983一)，女，遼寧撫順人，在讀碩士，從事金屬材料高溫疲： 的研究工作。
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第l期 岳丹，等：奧氏體不銹鋼損傷機(jī)制的研究現(xiàn)狀與展望
但是在低周疲勞時(shí)，表面裂紋卻在晶界處萌生 。
這是因?yàn)樵诟邷貤l件下．晶界強(qiáng)度比晶內(nèi)差，相鄰晶
界之間的應(yīng)變不相容，并存在少量第一階段裂紋導(dǎo)
致的。因此在低周疲勞中，裂紋的萌生和擴(kuò)展沒有
高周疲勞中那樣重要。
許多學(xué)者已經(jīng)研究了材料在低周疲勞實(shí)驗(yàn)中表
面粗糙度在評(píng)估裂紋萌生方面的作用。Maiya和
Bush在866 K下測(cè)試了304不銹鋼，并提出疲勞壽
命隨表面粗糙度而下降的主要原因是達(dá)到裂紋萌生
時(shí)的循環(huán)數(shù)減少造成的。Wareing和Vaughan在
673 K下測(cè)試了316不銹鋼，認(rèn)為疲勞壽命隨表面
粗糙度而降低是由于裂紋的不同類型造成的。Lee
和Nam 對(duì)12Cr—Mo V 鋼進(jìn)行了測(cè)試，在300 K和
873 K時(shí)沒有觀察到表面粗糙度效應(yīng)，疲勞壽命沒
有因表面粗糙度而下降。他們認(rèn)為可能是低周疲勞
循環(huán)時(shí)的早期裂紋萌生導(dǎo)致的。
文獻(xiàn)[2]研究了表面粗糙度和晶界尺寸對(duì)疲勞
壽命的影響，對(duì)304不銹鋼樣本在不同的表面粗糙
度、晶粒尺寸(50 m，500 m)條件下進(jìn)行低周疲勞
循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)，結(jié)果為：① 電子拋光樣本上的疲勞裂
紋在晶界處萌生，不受晶界尺寸和測(cè)試溫度的影響。
②表面粗糙樣本的裂紋萌生位置與晶界尺寸、表面
粗糙度以及溫度有關(guān)。由于裂紋萌生模式的改變致
使表面粗糙度效應(yīng)隨晶界尺寸增大而降低，并與實(shí)
驗(yàn)條件和材料本身有關(guān)。③ 在電子拋光樣本達(dá)到
30 的疲勞壽命時(shí)，使用掃描電鏡進(jìn)行分析。
研究裂紋萌生的本征位置結(jié)果顯示，本征裂紋
萌生的地點(diǎn)是在晶界處。在相同的測(cè)試條件下，大
晶粒樣本比小晶粒樣本具有更長的沿晶裂紋。因?yàn)?
大晶粒樣本在給定的塑性應(yīng)變條件下，晶粒內(nèi)部積
累了更多的塑性位移，并且塑性位移的不均勻性也
比較大。同時(shí)，大晶粒樣本與小品粒樣本相比，其晶
界裂紋有所擴(kuò)大。
另外，不同材料在低周疲勞循環(huán)中產(chǎn)生的表面
裂紋對(duì)表面粗糙度的敏感性不同。304不銹鋼和
Cr—Mo～V鋼樣本的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很大的差異：① 前者
形成了擴(kuò)展的沿晶裂紋，至裂紋萌生時(shí)所需的疲勞
循環(huán)數(shù)與總低周疲勞循環(huán)壽命相比可以忽略。后者
形成了擴(kuò)展的穿晶裂紋，至裂紋萌生時(shí)所需的疲勞
循環(huán)數(shù)占據(jù)了測(cè)試樣本疲勞壽命的一大部分。②表
面粗糙的樣本與表面光滑的樣本相比，疲勞壽命有
所下降。存在這種差異的原因可能是304不銹鋼在
實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了晶界空洞，這些空洞加速了沿晶裂紋
的萌生，而Cr—Mo—V鋼中主要是穿晶裂紋萌生，并
且此種裂紋的萌生過程相對(duì)較長。
文獻(xiàn)[3]對(duì)3種不同的材料進(jìn)行了低周疲勞循
環(huán)實(shí)驗(yàn)，用于研究表面粗糙度對(duì)疲勞壽命的影響。
具有不同表面粗糙度的1Cr—Mo—V鋼、經(jīng)過固溶處
理的304不銹鋼和12Cr—Mo—V鋼在持續(xù)低周疲勞
循環(huán)條件下疲勞壽命的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1～圖3。
罌
剝
圖1 具有不同粗糙度的1Cr-Mo V鋼
在持續(xù)低周疲勞循環(huán)下的測(cè)試結(jié)果
圖2 304不銹鋼在不同表面粗糙度、不同處理
條件下持續(xù)低周疲勞循環(huán)下的測(cè)試結(jié)果
罌
剝
圖3 具有不同粗糙度的12Cr—Mo—V鋼
在持續(xù)低周疲勞循環(huán)下的測(cè)試結(jié)果
結(jié)果表明：① 帶有一定粗糙度的1Cr—Mo—V鋼
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石油化工設(shè)備 2009年第38卷
樣本和經(jīng)過老化處理的304不銹鋼與那些同等條件
下表面平滑的樣本相比疲勞壽命有所下降，這兩種
經(jīng)過處理的樣本在疲勞蠕變交互作用下沒有形成晶
界空洞。反之，形成晶界空洞的12Cr—Mo—V鋼和經(jīng)
過固溶處理的304不銹鋼的疲勞壽命則不受表面粗
糙度的影響。② 疲勞壽命的降低可以認(rèn)為是至裂紋
萌生時(shí)疲勞循環(huán)數(shù)的降低引起的，而疲勞循環(huán)數(shù)的
降低可能是由表面粗糙度導(dǎo)致的。這說明對(duì)于沒有
形成晶界空洞的材料來講，裂紋擴(kuò)展是影響疲勞壽
命的一個(gè)重要的過程。③對(duì)于在實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生蠕變空洞
的材料來講，其疲勞壽命與表面粗糙度無關(guān)。這是
因?yàn)檫@些樣本的疲勞蠕變失效主要受到蠕變破壞的
控制而不受疲勞裂紋萌生階段的控制。
可以看出，帶有表面粗糙度的裂紋萌生擴(kuò)展機(jī)
制的分析方法簡單可行，應(yīng)用方便，但具有一定的局
限性。即只能適用于高周疲勞循環(huán)，或是在疲勞蠕
變交互作用條件下沒有形成晶界蠕變空洞的材料。
一旦材料形成蠕變空洞，那么裂紋萌生和擴(kuò)展的損
傷機(jī)制將不再占據(jù)主要的地位。
1．2 晶界空洞形核及長大損傷機(jī)制
金屬及合金在高溫下容易在晶界處形成空洞。
在疲勞蠕變交互作用下，晶界空洞對(duì)于奧氏體不銹
鋼來說是最嚴(yán)重的損傷機(jī)制。空洞在疲勞循環(huán)中形
核，數(shù)目隨疲勞循環(huán)數(shù)增加而增加。空洞只在拉伸
保持時(shí)間內(nèi)長大。在拉伸時(shí)期內(nèi)，峰值應(yīng)力隨時(shí)間
弛豫并產(chǎn)生蠕變效應(yīng)，此效應(yīng)導(dǎo)致空洞的長大。對(duì)
于奧氏體不銹鋼，因晶界具有明顯的界定，同時(shí)又具
有熱力學(xué)的穩(wěn)態(tài)相，在高溫疲勞蠕變交互作用條件
下，晶界空洞的形核和長大是其主要的損傷機(jī)制。
文獻(xiàn)[4]指出，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)可證實(shí)晶界空洞形核的
條件是高溫平衡正弦波形循環(huán)加載。根據(jù)此條件，
在循環(huán)加載時(shí)，空洞形核的速率很低，拉伸半循環(huán)的
時(shí)間比空洞硬化的時(shí)間長。因此，當(dāng)頻率比臨界頻
率低時(shí)，便發(fā)生空洞形核。臨界頻率由下式計(jì)算：
l品6 丁c k T )， 。F v ㈩
式中， 為拉伸峰值應(yīng)力；以為原子體積；C 。為晶界
空位平衡濃度； D 為有效晶界擴(kuò)散率；k為波爾茲
曼常數(shù)；T為溫度； 為表面能；F 為空洞形核的
幾何因素。
根據(jù)式(1)可得：①304I 不銹鋼在823 K時(shí)臨
界應(yīng)變速率為1．0×10一‘S ，這個(gè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
相吻合。② 在應(yīng)變速率為1．0×10 S_1時(shí)，由于晶
界空洞的存在，材料發(fā)生沿晶斷裂。
晶界空洞的形核機(jī)制還與其局部應(yīng)力集中有
關(guān)。這種局部應(yīng)力集中是由晶界和堆積位錯(cuò)在高溫
(T>T ，丁 為熔解溫度)低許用應(yīng)力( <10一 ，
為許用應(yīng)力)或低應(yīng)變速率(de／dt< 10 S～，
d~／dt為應(yīng)變速率)條件下相互作用導(dǎo)致的。
應(yīng)力集中使得晶界處的碳化物能夠?yàn)榭斩葱魏?
提供優(yōu)先的位置，碳化物上形成晶界空洞也是對(duì)材
料的一種破壞損傷。碳化物的特性如分布、密度和
形貌都可作為決定材料疲勞蠕變性質(zhì)的重要因素來
考慮。碳密度越高，蠕變疲勞壽命越短，空洞形核因
子P值越大。晶界鋸齒化能夠從很大程度上影響
碳化物的密度和形貌。在316和304不銹鋼中發(fā)現(xiàn)
利用修正后的熱處理過程使碳化物的形貌從三角形
式向平面形式轉(zhuǎn)變后，晶界的鋸齒化程度更加嚴(yán)重。
可以認(rèn)為修正熱處理后的晶界碳化物對(duì)奧氏體不銹
鋼在疲勞蠕變交互作用下的抗空洞性是有利的。
在碳化物形貌改變的同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)相鄰基體
與碳化物之間交界面的錯(cuò)配程度也發(fā)生了改變。文
獻(xiàn)[5]指出，就錯(cuò)配連貫性而言，相鄰基體與平面形
碳化物之間的錯(cuò)配連貫性程度要比相鄰基體與三角
形碳化物之問的程度好，交界面錯(cuò)配程度較低，這種
改變能使材料的抗蠕變疲勞特性顯著增加。由此表
明，經(jīng)過修正的熱處理過程析出的碳化物，因具有較
低的交界面能，從而具有更高的抗空洞能力，使空穴
形核延滯并提高蠕變一疲勞壽命。
一般來講，當(dāng)空洞在晶界處形核時(shí)，總自由能由
下式計(jì)算：
AF= 一Fv + F 7 r2一F (2)
式中，r為晶核半徑，F(xiàn)v、F 和F1分別為空洞分?jǐn)?shù)、
表面分?jǐn)?shù)和交界面分?jǐn)?shù)， 為許用拉應(yīng)力，Q為原子
體積，y 為表面自由能，y 為交界面自由能。
在上式中，當(dāng)空洞在晶界碳化物處形核時(shí)，交界
面自由能F r。變?yōu)槿缦滦问剑?
F y． 一(F ， 7 一F ， 7p， 一Fbyb)rz (3)
式中，F(xiàn) 和F 為晶界和交界面的面積分?jǐn)?shù)，y 和
yr¨T1分別為表面自由能和析出物與基體之間交界面
自由能。
用式(3)表示總自由能并帶人式(2)后可知，當(dāng)
析出的碳化物與基體之問交界面自由能 數(shù)值較
低時(shí)，F(xiàn)f¨1y 的應(yīng)降低，總自由能的改變量也隨之
降低。因此，空洞形核變得更加困難。這與蠕變一疲
勞交互作用下觀察到的測(cè)試結(jié)果相吻合。由此可以
確定，平面型碳化物因基體與碳化物交界面之間的
錯(cuò)配程度較低，所以具有更強(qiáng)的抵抗空洞形核和長
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第1期 岳丹，等：奧氏體不銹鋼損傷機(jī)制的研究現(xiàn)狀與展望
大的能力。
對(duì)于晶界空洞形核及長大的損傷機(jī)制來講，關(guān)
于空洞形核這樣一個(gè)發(fā)生在微觀層次上的缺陷運(yùn)動(dòng)
和相互作用的演化過程，缺少一定的理論依據(jù)，同時(shí)
也缺少建立在微觀層次上的適合模型，但是研究者
們已經(jīng)用數(shù)次實(shí)驗(yàn)結(jié)果及多角度的分析，證明了此
損傷機(jī)制的可行性，同時(shí)以斷裂的微觀機(jī)制(空洞的
形核和長大)出發(fā)導(dǎo)出的模型也具有重要意義。
2 損傷函數(shù)模型的提出和疲勞壽命的預(yù)測(cè)
在疲勞蠕變交互作用下，疲勞壽命不僅取決于
塑性應(yīng)變幅，還取決于頻率、保持時(shí)間和溫度等因
素，損傷函數(shù)也應(yīng)該包含這些因素。Nam 提出了一
種考慮晶界空洞形核和長大的損傷函數(shù)以及相應(yīng)的
疲勞蠕變壽命預(yù)測(cè)方法 。
定義蠕變疲勞損傷函數(shù)D ． 為：
D 一』△￡ exp(-Qti／RT)r',, )d l(4)
式中，Q 為晶界擴(kuò)散激活能，J／mol；△￡ 為空洞形
核的相關(guān)項(xiàng)，中括號(hào)項(xiàng)是空洞長大相關(guān)項(xiàng)； (￡)為保
持時(shí)間內(nèi)拉伸峰值應(yīng)力弛豫的相關(guān)項(xiàng)；R為常數(shù)，
R一8．314 J／(mol·K)；T為絕對(duì)溫度，K；t 為保持
時(shí)間，h。
ke,m與『 二 墨 r ( )出]兩者的乘積
就是損傷的量度。將上式改寫為：
lnDcF===lnC+(一5／3)Innf (5)
其中c={z2~；' rexp(-Q B／RT) f'h㈤d r N 5塢
式中， 為通過已知條件(溫度T、塑性應(yīng)變幅△E 、保
持時(shí)間 )下的蠕變疲勞試驗(yàn)測(cè)得的蠕變疲勞壽命。
式(5)就是預(yù)測(cè)疲勞壽命的基本方程，在形式上
和Coffin—Manson關(guān)系相同。只是損傷函數(shù)由△￡
變成了D l1 。式(5)量化了損傷函數(shù)與蠕變壽命
的關(guān)系，變成了一種直線的數(shù)學(xué)表達(dá)。同時(shí)歸一化
了所有在不同疲勞蠕變測(cè)試條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和變
量。因此，這個(gè)等式可以看成是歸一化的Coffin
Manson關(guān)系式。
3 結(jié)語
針對(duì)奧氏體不銹鋼在疲勞蠕變交互作用下影響
其疲勞壽命的損傷機(jī)制進(jìn)行了總結(jié)和歸納，由于損
傷機(jī)制的研究涉及到金屬材料學(xué)、材料力學(xué)、疲勞理
論和斷裂力學(xué)等多門學(xué)科，影響因素較多，所以對(duì)于
損傷機(jī)制的研究還是一個(gè)值得開拓的領(lǐng)域。損傷機(jī)
制的理論與方法可歸納如下：
(1)以損傷機(jī)制為基礎(chǔ)的疲勞壽命預(yù)測(cè)已經(jīng)受
到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，根據(jù)此條件正確分析和研究
各種材料的損傷機(jī)制并結(jié)合其他相關(guān)理論建立材料
疲勞壽命預(yù)測(cè)方法已經(jīng)在疲勞蠕變壽命預(yù)測(cè)中具有
越來越重要的地位。
(2)由于設(shè)備構(gòu)件大多數(shù)在復(fù)雜的加載條件下
工作，對(duì)于損傷機(jī)制的分析往往具：有局限性，缺乏更
為深入堅(jiān)實(shí)的理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，對(duì)于損傷機(jī)制
的研究成果比較少，為此損傷機(jī)制的研究具有更大
的發(fā)展空間。
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