2205雙相不銹鋼管在水溶液中的疲勞裂紋擴展行為

 浙江至德鋼業(yè)有限公司對2205雙相不銹鋼管在空氣、去離子水和3.5%氯化鈉溶液中進行疲勞裂紋擴展實驗，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，使有效裂紋長度更長，裂紋擴展的驅(qū)動力更小。

 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展行為對于其安全使用具有重要意義。2205雙相不銹鋼管因其優(yōu)良的耐蝕性和強度高以及經(jīng)濟實用性，在造船業(yè)和運輸業(yè)得到了越來越多的應(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)境中進行疲勞裂紋擴展實驗，研究介質(zhì)環(huán)境對疲勞裂紋擴展行為的影響及其斷裂機理。

一、實驗方法

 實驗材料為泰山鋼鐵集團提供的2205雙相不銹鋼管，厚度10mm，其屈服強度和抗拉強度分別為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。選用標準單邊缺口三點彎曲SE(B)試樣，按照GB/T6398-2000《金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》加工，試樣尺寸如圖所示，裂紋擴展方向垂直于軋制方向。疲勞試驗在電液伺服疲勞試驗機上進行。采用正弦交變載荷，應(yīng)力比R=0.1。在初始載荷范圍ΔP=9000N時開始預(yù)制裂紋，并逐級降力至ΔP=3500N，每級降力率約為10%~20%，預(yù)制裂紋總長度約為2mm。用COD規(guī)測量裂紋張開位移，用柔度法測定裂紋長度a。依據(jù)GB/T6398-2000中附錄A七點遞增多項式法，進行數(shù)據(jù)擬合得出疲勞裂紋擴展速率da/dN和應(yīng)力強度因子幅ΔK。在疲勞試驗過程中，試樣一直浸沒在環(huán)境槽中，并用恒流泵對溶液介質(zhì)進行循環(huán)，溶液流量為1.0~1.2mL/min。最后采用NOVANanoSEM430型掃描電鏡(SEM)對斷口進行形貌分析。

二、實驗結(jié)果

 1. a-N曲線和da/dN-ΔK曲線的對比

  不同環(huán)境下2205雙相不銹鋼管試樣疲勞裂紋擴展的a-N曲線如圖所示。試樣在裂紋擴展約14mm后斷裂。其疲勞裂紋擴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，而且使近門檻區(qū)向穩(wěn)態(tài)擴展區(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)，疲勞裂紋擴展通常可以用Paris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，河流花樣向裂紋擴展方向流動，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)擴展區(qū)主裂紋面上的點蝕坑數(shù)量顯著增加，點蝕坑長大，二次小裂紋數(shù)量顯著增加；在失穩(wěn)區(qū)，主裂紋面上的點蝕坑尺寸明顯增大，二次小裂紋逐漸連接形成多條細長的、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、粗大的山脊狀撕裂棱貫穿至失穩(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)擴散到裂尖的吸附氫Hads達到臨界濃度時，裂尖金屬開裂，同時在裂紋面留下含F(xiàn)e的氧化物。這一過程反復(fù)進行，疲勞裂紋向前擴展。陽極反應(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展能力差別與裂紋擴展驅(qū)動力有關(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，使有效裂紋長度更長，裂紋擴展驅(qū)動力更小。

 2205雙相不銹鋼管在3.5%氯化鈉溶液中疲勞裂紋擴展驅(qū)動力比在去離子水介質(zhì)中更低，擴展速度更慢，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、山脊狀的撕裂棱。

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，使有效裂紋長度增加。與去離子水相比，氯離子具有更強的腐蝕作用，在主裂紋前端可誘發(fā)更多的缺陷并發(fā)展成二次裂紋，使有效裂紋長度更長，裂紋擴展的驅(qū)動力更小。