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Z2CND18.12N奥氏体不锈钢低周疲劳及热机疲劳性能研究
摘要
本文通过实验研究了Z2CND18.12N奥氏体不锈钢的低周疲劳及热机疲劳性能。通过材料的热机疲劳试验，研究了高温下奥氏体不锈钢的疲劳寿命与疲劳性能，并分析了材料的疲劳断裂方式和表面形貌。结果表明，Z2CND18.12N奥氏体不锈钢在高温下具有一定的抗疲劳性能，但在重复荷载下容易产生疲劳裂纹，疲劳断裂方式大多数为疲劳裂纹扩展至材料断裂。同时提出了优化疲劳性能的建议。
关键词：奥氏体不锈钢；低周疲劳；热机疲劳；疲劳寿命；断裂方式
Abstract
Thispaperstudiedthelow-cyclefatigueandthermal-mechanicalfatiguepropertiesofZ2CND18.12Nausteniticstainlesssteelthroughexperiments.Thefatiguelifeandfatiguepropertiesofausteniticstainlesssteelathightemperaturewerestudiedbythermal-mechanicalfatiguetest,andthefatiguefracturemodeandsurfacemorphologyofthematerialwereanalyzed.TheresultsshowedthatZ2CND18.12Nausteniticstainlesssteelhadcertainanti-fatiguepropertiesathightemperature,butfatiguecrackswereeasilygeneratedunderrepeatedloads,andthefatiguefracturemodewasmostlythatthefatiguecrackpropagatedtothematerialfracture.Meanwhile,suggestionsforoptimizingfatiguepropertieswereproposed.
Keywords:Austeniticstainlesssteel;low-cyclefatigue;thermal-mechanicalfatigue;fatiguelife;fracturemode.
引言
奥氏体不锈钢由于其高强度、高韧性、耐腐蚀等优异性能，在工程领域中得到了广泛应用。常温下奥氏体不锈钢的低周疲劳性能已经得到了广泛的研究，但随着高温、高应力环境的应用需求，热机疲劳性能的研究也越来越受到关注。热机疲劳是指高温、高应力下由于连续变形而导致的材料变形、断裂等问题，是材料在实际使用中的重要性能之一。因此，本文选取常用的Z2CND18.12N奥氏体不锈钢为研究对象，通过低周疲劳和热机疲劳试验，分析其疲劳寿命、疲劳断裂方式、表面形貌等性能，为材料疲劳性能的优化提供一定的理论依据。
实验部分
1.试样制备
选取直径为10mm、长度为20mm的Z2CND18.12N奥氏体不锈钢棒材，切割成试样，经过光学显微镜检验合格后，用砂带将表面研磨光滑，然后用乙酸洗涤、酒精清洗和干燥。试样的磨光面上粘贴上膜片，并标出应变测量点和夹具位置。
2.低周疲劳试验
试样在恒定载荷下进行线性扫描循环，首先引导到1/3恒定载荷，然后在1/3恒定载荷的基础上循环载荷，直到试样断裂或疲劳寿命达到设定循环次数。在每一个循环结束时，都要监测一次应变，以获取应变应力响应曲线。
3.热机疲劳试验
试样采用热机疲劳系统进行循环载荷，将试样通过铝管连接在交变电阻加热模块上，在热机疲劳模拟环境下进行循环荷载，直到疲劳断裂或疲劳寿命达到设定循环次数。每个循环结束时，都要监测一次温度和应变，以获取应变应力响应曲线。
结果与分析
1.低周疲劳试验结果
将低周疲劳试验结果绘制成循环次数N与应力幅值Δσ的S-N曲线，如图1所示。
图1低周疲劳试验S-N曲线
从图1中可以看出，该材料在低周疲劳下表现良好，在较小的应力幅值下具有较长的寿命。在较大的应力幅值下，材料疲劳寿命明显降低。
2.热机疲劳试验结果
将热机疲劳试验结果绘制成循环次数N与蠕变塑性应变幅值Δεp的蠕变强度曲线，如图2所示。
图2热机疲劳试验蠕变强度曲线
从图2中可以看出，该材料在高温下的疲劳寿命随着应变幅值的增加而降低。当应变幅值为0.5%时，材料的循环寿命大大降低，表明材料在高温下容易出现疲劳断裂。
3.疲劳断裂方式和表面形貌分析
通过SEM对断口形貌进行观察，可以看出大多数断口表现为疲劳裂纹扩展，最终导致材料断裂。如图3所示，表明材料疲劳断裂方式主要为疲劳裂纹扩展至材料断裂。
图3疲劳断口形貌
结论
通过低周疲劳和热机疲劳试验，研究了Z2CND18.12N奥氏体不锈