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304型不锈钢锻件在室温高压氢中的疲劳性能

文章来源:sjzwx 更新时间:2014-02-25 11:18:41

 304型不锈钢锻件在室温高压氢中的疲劳性能SeijfPukuyama,Kiyoshiyokogawa,KiyokatsuKudo&lMichioAraki对固溶和敏化的304型不锈钢锻件在室温下,在压力高至4.OMPa的高压氢中的疲劳性能进行了研究。结果发现,固m和敏化后的不锈钢锻件其疲劳极限和到失败的循环次数随着氢压力的增加而减少。在断面的主要疲劳裂纹扩展区内,观察到典型的疲劳断裂方式,即,在氦中呈辉纹伏,在氢中呈穿晶断裂。沿马氏体和奥氏体界面的氢促进疲劳裂纹的扩展。304型介稳奥氏体不锈钢锻件已经被广泛地用作甲倪合成,氨合成,原油提纯和其它氢处理过程的反应器材料。最近Briant指出,3C'4型不锈钢锻件在氢环境中,即使是在室温下也很容易脆化。从此,对在高压氢环境下所使用钢的安全极限给予了更多的重视。为了规划、设计和建造用于氢装置的工厂,必须了解钢在氢环境中的疲劳性能。然而,除AIS1347以外,对不锈钢锻件在氢中的疲劳性能已经做了一些研究。在本文中,3[4型不锈钢锻件的疲劳试验是在室温下的高压氢环境中进行的。在这些试验结果的基础上,讨论了氢对钢的疲劳性能的影响。且·试验试验的材料是304型不锈钢锻件。将它在1373K,一3-.Gks固溶处理,然厅水冷,做为固溶试杆。进一步在973K,360ks敏化,做为敏化试样。这些试样都加工成两个端部之间圆弧过渡的形状,如图」所示,井在573K.21.6ks真空中退火进行扩氢处理,然后用0加砂纸抛光,用0.G5um的Y铝粉在细布上研磨并在脱水氨中清洗。化学成份和拉伸性能表示在表1中。将疲劳试样装在一疲劳试验装置上,对试样加载,用一外部载荷传感器进行真实载荷测量。疲劳试验是在5H:的正弦拉伸循环条件下进行,最小应力为35MPa,氢的压力1.IMFa和4.OMPa,氢为常压,循环水保持在2931iK,水的温度可以通过装置上的水调节阀进行很好的控制。断口表面在用Hayakawa溶液侵蚀处理之前和处理之后均用扫描电镜进行观察。试样的剖面在用Reed溶液腐蚀处理之后,也用光学显微镜观察。用40kV和2OmA的Co-Ka射线进行x射线分析,确定应变诱导马氏体。1‘疲劳性能304型不锈钢锻件在293K温度,常压氢和1.1MPa,4.OMPa的氢中的S-N曲线表示在图2中。对于固溶钢,在583MPa应力下,在常压氢和1.I,4.C'MPa的氢中.到达失效的循环次数(Nf583)分别为9.4xl少、1.7x104和2,7x10',因此,可以说固溶钢的Nf值随着氢压力的增加而减少。在常压氢和1.1MPa,4.OMPa的氢压下,固溶钢的疲劳极限分别是450,436和414MPa。这也可以说,固溶钢的疲劳极限随着氢压力的增加而减少。另一方面,在常压显和1.1MPa,4.OMPa的氮压下,教化钢的Nf583值分别是7.4”104,1.1x」C4和1.2‘103.显然,敏化钢的Nf583值和疲劳极限VA着氢压力的增加而减小。虽然,在给定的疲劳应力下,敏化钢的Nf值比固溶钢的节Nf值小,但两者的疲劳极限相差不大。在应力为583NPa,氢压力为4.OMPa和常压氢下,断裂的敏化钢的侧面形貌显示在图3中。在氢中断裂的敏化钢侧面,可以观察到许多细小的裂纹,而在显中的试样却看不到。在这些试样的表而观察到由干塑性变形而引起的滑移带。同样,在氮环境中,断裂的固溶栩的侧面也可以观察到许多细小的裂纹,而在氦气中没有看到。疲劳试验在1.4倍钢的0.2%屈服强度的应力下进行,其结果,试样塑性变形,如圈3所示。此外,根据二射线衍射分析,嵌劳试验后,a’一马氏体的衍射特征峰显示清晰。沿试样的拉伸轴切开并腐蚀,用光学显徽镜观察,在靠近断裂表面处可以看到马氏体。因此,可认为在疲劳试验中发生了应变诱导转变。2.断口形貌(1)固溶钢在a和氢中破断的固溶钢的断裂形貌如图4所示。这个表而可以被宏观地分成三个部分,从左至右,A,B和CaA,B和C分别是,包括断裂开始点的发白区、又黑又粗粉的区和最后断裂区。A部分的面积随着氢压力的增加面减少,如图4所示。在氢中断裂表面的粗糙程度比在氛中严重。另一方面,根据扫描电镜的观察,断裂表面的A部分又可进一步分成两部分A,和Az。用图5示意图来表示固溶钢的这些特征。在阅中上半圆和下半圆分别表示在氛和氢中的断裂方式。当B10C部分的面积陇着疲劳应力的增加而增加时,Al和Az部分的面积减少。在氢中破断的Al部分的断面表示在图6中。在图中可以观察到穿晶断裂。在氢中A,部分的断裂方式与在氢中相似,在氢中A,部分的面积比在氢的小。经腐蚀,可观察到裂纹在(100)晶面上向《110》方向扩展。在氢环境中的断面,七,A,部分也可以分别观察到合阶花样和板状花样,如图7和图8所示。在图7中观察到的台阶花样与裂纹扩展方向垂直。这些台阶花样和板状花样结构很容易用Reed溶液腐蚀出。因此,这也可以推测出马氏体的存在。通过腐蚀坑的观察认为板状花样的Miller指数与(110)面相符合。板状花样可以被认为表示马氏体和奥氏体之间的界面,因为这种形式很容易沿奥氏体的(111)晶面形成。根据图7所示的台阶花样可以判断,马氏体和奥氏体的交替层是在墓体中形成的。也可以认为,图7和图8中所示的花样分别由下列原因形成:当疲劳裂纹垂直于交替层扩展时,形成图7所示的台阶花样,当裂纹沿着层界面扩展时,形成图8所示的板状花样。这些台阶和板状花样,在氢中,仅仅是在断而A,部分观察到的,而在氢中,主要是在Al,Az和B部分的断面观察到的。另外,在氢环境下断裂的断面上所观察到的台阶花样和板状花样比在a环境中的多。在氢和氢中破断的固溶钢的A2部分的断面用图9表示。在a中的断面上观察到延性辉纹,而在氢中的断面_L观察到穿晶断裂和垂直于裂纹扩展方向的较大的龟裂缝。可以认为,龟裂缝是在马氏体和奥氏体之f17的界面上形成的,就象上面所叙述的台阶花样。在r-中固M钢断面的B部分的断裂形式是微坑断裂,而在氢中是穿晶与微坑断裂的混合形式。断面C部分的断裂形式在氢和氢中都是微坑断裂。考虑到B和C部分的断裂方式与Briant在拉伸断口」:得到的结果相似,所以,可以推断,疲劳裂纹的扩展主要是发生在A部分。(2)敏化钢敏化钢的断裂表而,宏观上分为A,B和C三个部分,与固溶钢的情况相同,在氦和氢中,敏化钢的断面粗糙程度比固溶钢大,根据扫描电镜观察,A部分也可以分成A,和A2两部分,用图10的示意图表示,与固溶钢的情况相同。随着疲劳应力的增加,A,和A:部分的面积减少,而B和C部分的面积增加。在氢和氢中破断的敏化钢的Al部分的断面表示在图11中。在氯中,可以从图中观察到略微粗糙的穿晶断裂,而在氢中,可以从断面上观察到沿品粒边界的龟裂和略微粗糙的穿晶断。在氢中A,部分的面积比氢中小。因腐蚀的结果,可以观察到类似于固浓钢的情况,在氢和氢中裂纹在(100)晶面上向《110>?晶向上扩展。图]12表示敏化钢A7部分的断面形貌。在这部分,可以观察到氢中断裂的Az部分的延性辉纹。另外观宗到沿晶界的龟裂。而在氢中,从断面上观察到沿晶界的穿晶断和大龟裂。象固溶钢一样没有从断面上观察到延性辉纹。断面B部分的断裂方式在显中是沿晶断和微坑断裂的混合。另一方i荀,在氢中是穿晶断裂,7u晶断和沿晶裂纹的混合形式,断面C部分的断裂方式在.4f"氢中都是沿晶界的沿晶断,微坑断和沿晶裂纹的混合形式。考虑到B和C部分的断裂方式与Briant在拉仲断口上得到的结果相同。所以,可以推断9.劳裂纹的扩一展主要发生在A部分。在氢中所观察到的沿晶断和沿晶龟裂纹比在撼中要多。Belant指出在敏化304型不锈钢锻件中,应变诱发马氏体容A沿晶拉边界形成,因为裂纹是沿着奥氏体和马氏体之间的相界扩展,所以说在放化钢中形成沿晶断和沿晶龟裂纹是有道理的。

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