2205雙相不銹鋼管在水溶液中的疲勞裂紋擴(kuò)展行為

 浙江至德鋼業(yè)有限公司對(duì)2205雙相不銹鋼管在空氣、去離子水和3.5%氯化鈉溶液中進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，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(kuò)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(qiáng)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(kuò)展的驅(qū)動(dòng)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(kuò)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(kuò)展行為對(duì)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(qiáng)度高以及經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，在造船業(yè)和運(yùn)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(duì)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(duì)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(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，研究介質(zhì)環(huán)境對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響及其斷裂機(jī)理。

一、實(shí)驗(yàn)方法

 實(shí)驗(yàn)材料為泰山鋼鐵集團(tuán)提供的2205雙相不銹鋼管，厚度10mm，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)單邊缺口三點(diǎn)彎曲SE(B)試樣，按照GB/T6398-2000《金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法》加工，試樣尺寸如圖所示，裂紋擴(kuò)展方向垂直于軋制方向。疲勞試驗(yàn)在電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)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(shí)開始預(yù)制裂紋，并逐級(jí)降力至ΔP=3500N，每級(jí)降力率約為10%~20%，預(yù)制裂紋總長度約為2mm。用COD規(guī)測(cè)量裂紋張開位移，用柔度法測(cè)定裂紋長度a。依據(jù)GB/T6398-2000中附錄A七點(diǎn)遞增多項(xiàng)式法，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得出疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN和應(yīng)力強(qiáng)度因子幅ΔK。在疲勞試驗(yàn)過程中，試樣一直浸沒在環(huán)境槽中，并用恒流泵對(duì)溶液介質(zhì)進(jìn)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(duì)斷口進(jìn)行形貌分析。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

 1. a-N曲線和da/dN-ΔK曲線的對(duì)比

  不同環(huán)境下2205雙相不銹鋼管試樣疲勞裂紋擴(kuò)展的a-N曲線如圖所示。試樣在裂紋擴(kuò)展約14mm后斷裂。其疲勞裂紋擴(kuò)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(kuò)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(duì)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(kuò)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(kuò)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(shì)，而且使近門檻區(qū)向穩(wěn)態(tài)擴(kuò)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(kuò)展通?？梢杂肞aris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(duì)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(zhǔn)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(kuò)展方向流動(dòng)，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(kuò)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(zhǔn)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(diǎn)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(kuò)展區(qū)主裂紋面上的點(diǎn)蝕坑數(shù)量顯著增加，點(diǎn)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(diǎn)蝕坑尺寸明顯增大，二次小裂紋逐漸連接形成多條細(xì)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(zhǔn)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(kuò)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?fàn)钏毫牙庳灤┲潦Х€(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(kuò)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(kuò)散到裂尖的吸附氫Hads達(dá)到臨界濃度時(shí)，裂尖金屬開裂，同時(shí)在裂紋面留下含F(xiàn)e的氧化物。這一過程反復(fù)進(jìn)行，疲勞裂紋向前擴(kuò)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(kuò)展能力差別與裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)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(qiáng)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(kuò)展驅(qū)動(dòng)力更小。

 2205雙相不銹鋼管在3.5%氯化鈉溶液中疲勞裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力比在去離子水介質(zhì)中更低，擴(kuò)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(jī)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(xì)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?fàn)畹乃毫牙狻?/span>

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(kuò)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(qiáng)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(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力更小。