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304型不銹鋼鍛件在室溫高壓氫中的疲勞性能

文章來源：sjzwx 更新時間：2014-02-25 11:18:41

 304型不銹鋼鍛件在室溫高壓氫中的疲勞性能SeijfPukuyama，Kiyoshiyokogawa，KiyokatsuKudo&lMichioAraki對固溶和敏化的304型不銹鋼鍛件在室溫下，在壓力高至4.OMPa的高壓氫中的疲勞性能進行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，固m和敏化后的不銹鋼鍛件其疲勞極限和到失敗的循環(huán)次數(shù)隨著氫壓力的增加而減少。在斷面的主要疲勞裂紋擴展區(qū)內(nèi)，觀察到典型的疲勞斷裂方式，即，在氦中呈輝紋伏，在氫中呈穿晶斷裂。沿馬氏體和奧氏體界面的氫促進疲勞裂紋的擴展。304型介穩(wěn)奧氏體不銹鋼鍛件已經(jīng)被廣泛地用作甲倪合成，氨合成，原油提純和其它氫處理過程的反應(yīng)器材料。最近Briant指出，3C'4型不銹鋼鍛件在氫環(huán)境中，即使是在室溫下也很容易脆化。從此，對在高壓氫環(huán)境下所使用鋼的安全極限給予了更多的重視。為了規(guī)劃、設(shè)計和建造用于氫裝置的工廠，必須了解鋼在氫環(huán)境中的疲勞性能。然而，除AIS1347以外，對不銹鋼鍛件在氫中的疲勞性能已經(jīng)做了一些研究。在本文中，3[4型不銹鋼鍛件的疲勞試驗是在室溫下的高壓氫環(huán)境中進行的。在這些試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，討論了氫對鋼的疲勞性能的影響。且·試驗試驗的材料是304型不銹鋼鍛件。將它在1373K，一3-.Gks固溶處理，然廳水冷，做為固溶試桿。進一步在973K,360ks敏化，做為敏化試樣。這些試樣都加工成兩個端部之間圓弧過渡的形狀，如圖」所示，井在573K.21.6ks真空中退火進行擴氫處理，然后用0加砂紙拋光，用0.G5um的Y鋁粉在細布上研磨并在脫水氨中清洗。化學成份和拉伸性能表示在表1中。將疲勞試樣裝在一疲勞試驗裝置上，對試樣加載，用一外部載荷傳感器進行真實載荷測量。疲勞試驗是在5H:的正弦拉伸循環(huán)條件下進行，最小應(yīng)力為35MPa,氫的壓力1.IMFa和4.OMPa,氫為常壓，循環(huán)水保持在2931iK，水的溫度可以通過裝置上的水調(diào)節(jié)閥進行很好的控制。斷口表面在用Hayakawa溶液侵蝕處理之前和處理之后均用掃描電鏡進行觀察。試樣的剖面在用Reed溶液腐蝕處理之后，也用光學顯微鏡觀察。用40kV和2OmA的Co-Ka射線進行x射線分析，確定應(yīng)變誘導馬氏體。1‘疲勞性能304型不銹鋼鍛件在293K溫度，常壓氫和1.1MPa,4.OMPa的氫中的S-N曲線表示在圖2中。對于固溶鋼，在583MPa應(yīng)力下，在常壓氫和1.I,4.C'MPa的氫中.到達失效的循環(huán)次數(shù)(Nf583)分別為9.4xl少、1.7x104和2,7x10',因此，可以說固溶鋼的Nf值隨著氫壓力的增加而減少。在常壓氫和1.1MPa,4.OMPa的氫壓下，固溶鋼的疲勞極限分別是450,436和414MPa。這也可以說，固溶鋼的疲勞極限隨著氫壓力的增加而減少。另一方面，在常壓顯和1.1MPa,4.OMPa的氮壓下，教化鋼的Nf583值分別是7.4”104,1.1x」C4和1.2‘103.顯然，敏化鋼的Nf583值和疲勞極限VA著氫壓力的增加而減小。雖然，在給定的疲勞應(yīng)力下，敏化鋼的Nf值比固溶鋼的節(jié)Nf值小，但兩者的疲勞極限相差不大。在應(yīng)力為583NPa,氫壓力為4.OMPa和常壓氫下，斷裂的敏化鋼的側(cè)面形貌顯示在圖3中。在氫中斷裂的敏化鋼側(cè)面，可以觀察到許多細小的裂紋，而在顯中的試樣卻看不到。在這些試樣的表而觀察到由干塑性變形而引起的滑移帶。同樣，在氮環(huán)境中，斷裂的固溶栩的側(cè)面也可以觀察到許多細小的裂紋，而在氦氣中沒有看到。疲勞試驗在1.4倍鋼的0.2%屈服強度的應(yīng)力下進行，其結(jié)果，試樣塑性變形，如圈3所示。此外，根據(jù)二射線衍射分析，嵌勞試驗后，a’一馬氏體的衍射特征峰顯示清晰。沿試樣的拉伸軸切開并腐蝕，用光學顯徽鏡觀察，在靠近斷裂表面處可以看到馬氏體。因此，可認為在疲勞試驗中發(fā)生了應(yīng)變誘導轉(zhuǎn)變。2.斷口形貌(1)固溶鋼在a和氫中破斷的固溶鋼的斷裂形貌如圖4所示。這個表而可以被宏觀地分成三個部分，從左至右，A,B和CaA,B和C分別是，包括斷裂開始點的發(fā)白區(qū)、又黑又粗粉的區(qū)和最后斷裂區(qū)。A部分的面積隨著氫壓力的增加面減少，如圖4所示。在氫中斷裂表面的粗糙程度比在氛中嚴重。另一方面，根據(jù)掃描電鏡的觀察，斷裂表面的A部分又可進一步分成兩部分A,和Az。用圖5示意圖來表示固溶鋼的這些特征。在閱中上半圓和下半圓分別表示在氛和氫中的斷裂方式。當B10C部分的面積隴著疲勞應(yīng)力的增加而增加時，Al和Az部分的面積減少。在氫中破斷的Al部分的斷面表示在圖6中。在圖中可以觀察到穿晶斷裂。在氫中A,部分的斷裂方式與在氫中相似，在氫中A，部分的面積比在氫的小。經(jīng)腐蝕，可觀察到裂紋在(100)晶面上向《110》方向擴展。在氫環(huán)境中的斷面，七，A，部分也可以分別觀察到合階花樣和板狀花樣，如圖7和圖8所示。在圖7中觀察到的臺階花樣與裂紋擴展方向垂直。這些臺階花樣和板狀花樣結(jié)構(gòu)很容易用Reed溶液腐蝕出。因此，這也可以推測出馬氏體的存在。通過腐蝕坑的觀察認為板狀花樣的Miller指數(shù)與(110)面相符合。板狀花樣可以被認為表示馬氏體和奧氏體之間的界面，因為這種形式很容易沿奧氏體的(111)晶面形成。根據(jù)圖7所示的臺階花樣可以判斷，馬氏體和奧氏體的交替層是在墓體中形成的。也可以認為，圖7和圖8中所示的花樣分別由下列原因形成:當疲勞裂紋垂直于交替層擴展時，形成圖7所示的臺階花樣，當裂紋沿著層界面擴展時，形成圖8所示的板狀花樣。這些臺階和板狀花樣，在氫中，僅僅是在斷而A,部分觀察到的，而在氫中，主要是在Al,Az和B部分的斷面觀察到的。另外，在氫環(huán)境下斷裂的斷面上所觀察到的臺階花樣和板狀花樣比在a環(huán)境中的多。在氫和氫中破斷的固溶鋼的A2部分的斷面用圖9表示。在a中的斷面上觀察到延性輝紋，而在氫中的斷面_L觀察到穿晶斷裂和垂直于裂紋擴展方向的較大的龜裂縫�？梢哉J為，龜裂縫是在馬氏體和奧氏體之f17的界面上形成的，就象上面所敘述的臺階花樣。在r-中固M鋼斷面的B部分的斷裂形式是微坑斷裂，而在氫中是穿晶與微坑斷裂的混合形式。斷面C部分的斷裂形式在氫和氫中都是微坑斷裂�？紤]到B和C部分的斷裂方式與Briant在拉伸斷口」:得到的結(jié)果相似，所以，可以推斷，疲勞裂紋的擴展主要是發(fā)生在A部分。(2)敏化鋼敏化鋼的斷裂表而，宏觀上分為A,B和C三個部分，與固溶鋼的情況相同，在氦和氫中，敏化鋼的斷面粗糙程度比固溶鋼大，根據(jù)掃描電鏡觀察,A部分也可以分成A,和A2兩部分，用圖10的示意圖表示，與固溶鋼的情況相同。隨著疲勞應(yīng)力的增加，A,和A:部分的面積減少，而B和C部分的面積增加。在氫和氫中破斷的敏化鋼的Al部分的斷面表示在圖11中。在氯中，可以從圖中觀察到略微粗糙的穿晶斷裂，而在氫中，可以從斷面上觀察到沿品粒邊界的龜裂和略微粗糙的穿晶斷。在氫中A,部分的面積比氫中小。因腐蝕的結(jié)果，可以觀察到類似于固濃鋼的情況，在氫和氫中裂紋在(100)晶面上向《110>?晶向上擴展。圖]12表示敏化鋼A7部分的斷面形貌。在這部分，可以觀察到氫中斷裂的Az部分的延性輝紋。另外觀宗到沿晶界的龜裂。而在氫中，從斷面上觀察到沿晶界的穿晶斷和大龜裂。象固溶鋼一樣沒有從斷面上觀察到延性輝紋。斷面B部分的斷裂方式在顯中是沿晶斷和微坑斷裂的混合。另一方i荀，在氫中是穿晶斷裂，7u晶斷和沿晶裂紋的混合形式，斷面C部分的斷裂方式在.4f"氫中都是沿晶界的沿晶斷，微坑斷和沿晶裂紋的混合形式�？紤]到B和C部分的斷裂方式與Briant在拉仲斷口上得到的結(jié)果相同。所以，可以推斷9.勞裂紋的擴一展主要發(fā)生在A部分。在氫中所觀察到的沿晶斷和沿晶龜裂紋比在撼中要多。Belant指出在敏化304型不銹鋼鍛件中，應(yīng)變誘發(fā)馬氏體容A沿晶拉邊界形成，因為裂紋是沿著奧氏體和馬氏體之間的相界擴展，所以說在放化鋼中形成沿晶斷和沿晶龜裂紋是有道理的。