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。結果發現，固m和敏化后的不銹鋼鍛件其疲勞極限和到失敗的循環次數隨著氫壓力的增加而減少。在斷面的主要疲勞裂紋擴展區內，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型介穩奧氏體不銹鋼鍛件已經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器材料。最近Briant指出，3C'4型不銹鋼鍛件在氫環境中，即使是在室溫下也很容易脆化。從此，對在高壓氫環境下所使用鋼的安全極限給予了更多的重視。為了規劃、設計和建造用于氫裝置的工廠，必須了解鋼在氫環境中的疲勞性能。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境中進行的。在這些試驗結果的基礎上，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:的正弦拉伸循環條件下進行，最小應力為35MPa,氫的壓力1.IMFa和4.OMPa,氫為常壓，循環水保持在2931iK，水的溫度可以通過裝置上的水調節閥進行很好的控制。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應力下，在常壓氫和1.I,4.C'MPa的氫中.到達失效的循環次數(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，在給定的疲勞應力下，敏化鋼的Nf值比固溶鋼的節Nf值小，但兩者的疲勞極限相差不大。在應力為583NPa,氫壓力為4.OMPa和常壓氫下，斷裂的敏化鋼的側面形貌顯示在圖3中。在氫中斷裂的敏化鋼側面，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，在氮環境中，斷裂的固溶栩的側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%屈服強度的應力下進行，其結果，試樣塑性變形，如圈3所示。此外，根據二射線衍射分析，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生了應變誘導轉變。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白區、又黑又粗粉的區和最后斷裂區。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。經腐蝕，可觀察到裂紋在(100)晶面上向《110》方向擴展。在氫環境中的斷面，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構很容易用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。可以認為，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。考慮到B和C部分的斷裂方式與Briant在拉伸斷口」:得到的結果相似，所以，可以推斷，疲勞裂紋的擴展主要是發生在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。考慮到B和C部分的斷裂方式與Briant在拉仲斷口上得到的結果相同。所以，可以推斷9.勞裂紋的擴一展主要發生在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，應變誘發馬氏體容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。