309S不銹鋼

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310S耐熱不銹鋼動態拉伸變形行為研究分析

來源:至德鋼業 日期:2020-03-20 16:59:13 人氣:229

   浙江至德鋼業有限公司技術人員采用掃描電子顯微鏡(SEM)靜載動態拉伸原位觀察方法研究了310S耐熱不銹鋼常溫動態拉伸過程中裂紋的萌生、擴展及斷裂過程.結果表明:裂紋源容易在夾雜物、基體界面以及應力集中部位形成.隨著拉伸變形進行,不同位置形成的微裂紋中,處于與拉伸應力方向相同或相近的有利位相的微裂紋不斷亞穩擴展,最后與周圍微裂紋連接形成主裂紋.當主裂紋擴展到一定程度達到或超出臨界裂紋尺寸后,試樣裂紋發生全面失穩擴展而試樣迅速斷裂。


   耐熱不銹鋼310S(0Cr25Ni20)是高鉻鎳奧氏體不銹鋼,在氧化介質中具有優良的耐蝕性,同時具有良好的高溫力學性能,因此它既可以作為耐蝕部件又可以用于高溫部件。該材料主要應用于抗腐蝕性要求高的化學、煤炭、石油產業的野外露天機器、建材耐熱零件及熱處理有困難的零件以及耐高溫爐管制造。蘭州理工大學喇培清等研究了鋁元素對310S不銹鋼組織和性能的影響,研究了310S不銹鋼在鑄造過程中的表面裂紋分析原因.巴西技術人員研究了石油鉆井平臺上服役期的310S不銹鋼的失效,主要是由σ相的沉淀以及長期處在海水中出現過冷帶導致裂紋的萌生,最終導致斷裂。310S不銹鋼作為一種重要的高溫使用結構材料,因而材料的動態力學行為對于裂紋的形成和擴展的研究具有十分重要的意義.通過帶有拉伸臺的SEM,我們可以直接觀察和連續記錄材料斷裂的圍觀動態過程。對金屬材料變形過程進行了研究.西北核技術研究所文潮對16MnR鋼的動態拉伸進行研究,證實了16MnR鋼具有明顯的應變強化效應。工作證實了σ相與奧氏體結合力是很強的,并在觀察Ni-Cr奧氏體鋼σ相時指出了晶格關系對結構材料來說,拉伸應力作用下微裂紋的形成及擴展對材料的靜態力學性能有著非常重要的影響,很有必要進行了解和研究.對310S耐熱不銹鋼的動態拉伸的研究國內還沒有詳細的相關報道。因此至德鋼業研究了310S耐熱不銹鋼通過SEM附帶的動態拉伸試驗儀進行動態拉伸,原位觀察研究了其微裂紋的形成及擴展過程。


一、實驗材料與方法


   實驗材料采用中頻感應爐和電渣重熔精煉后鍛壓而成,合金其主要化學成分(質量分數,%)如表所示,材料經過1150℃固溶處理,保溫30分鐘后水淬。實驗儀器為帶有拉伸臺的S-570掃描電鏡上進行,加載通過手動進行.試樣尺寸如圖所示,實驗過程中為了便于觀察裂紋的萌生點,在試樣上開了個U型缺口,試樣分別經過400目、600目、800目、1000目金相砂紙打磨、機械拋光.然后用電解腐蝕,操作電壓為3V。


二、結果與分析


 1. 裂紋的萌生


   圖是310S耐熱不銹鋼的動態拉伸時的SEM照片.裂紋萌生的理論基礎是位錯和孿生變形.從圖加載初期試樣的表面SEM照片可知,夾雜相彌散的分布在基體表面,并有孿晶出現,試樣表面并沒有出現明顯的損傷.試樣加載一段時間后,由圖可知萌生裂紋尖端出現大量的放射線,放射線的收斂處為裂紋源。在試樣表面產生微小裂紋,裂紋尖端微小的應力使得尖端位錯塞積,塞積的位錯數目越多,使得尖端位錯對障礙物(晶界、夾雜相)的作用就越大,當拉伸應力達到一定程度時,就會引起鄰近晶粒的位錯源開動,在夾雜相與基體的交界處生核并沿某一有利的滑移面生長從而產生應力集中引起裂萌生,隨著加載的進一步增加,試樣缺口處發生了明顯的塑性變形,引起縮頸現象并出現類似滑移線的條紋,在縮頸部位的裂紋基本上沿拉伸受力垂直方向擴展.隨著拉應力的不斷增加,裂紋處基體之間的滑移明顯增多,其他位置并沒有發生明顯的塑性變形如圖所示.由圖中A點可以看出在拉應力的作用下顯微空洞各部分所受應力不同,沿著受力較大的方向韌窩被拉長形成大量的撕裂韌窩,這些韌窩主要是由于夾雜物或第二相粒子在應力作用下破碎而形成的.裂紋萌生有3種形式:夾雜相本身碎裂;夾雜相(或空洞)與基體運動不協調性產生應力集中;外加拉應力集中處。拉伸過程中夾雜相形成的微裂紋很在拉伸變形過程中第二相和基體相的應變不一致,而第二相與奧氏體界面處的結合力較弱,外加應力在其界面處造成應力集中,當應力集中達到一定程度而超過界面結合力時,微孔洞將首先在界面形核,形成大量的微裂紋,大大降低了合金的斷裂強度,縮短了試樣的斷裂時間。而這些微裂紋沒有方向性,則處于有利位相的微裂紋不斷擴展,并與周圍微裂紋連接也可形成主裂紋;拉應力形成的裂紋擴展成主裂紋的幾率最大。由于晶界和孿晶界的強度比比夾雜相與基體的界面結合力大的多。


2. 裂紋的擴展


    裂紋擴展是拉應力和塑性切應變共同作用的結果.用里格菲斯裂口理論解釋是試樣在外力作用下具有整體彈性應變能,當裂紋擴展表面增加,形成的新裂紋表面要吸收能量,裂紋擴展過程中彈性能為推動力,表面能為阻力,當擴展中的彈性能的減少大于增加的表面能,就出現裂紋失穩擴展.主裂紋一般繞過夾雜相,沿高應變帶在基體中擴展.不同取向晶粒的變形能力和變形抗力是不同的,在拉伸載荷下,必然在取向最有利于滑移和微觀內應力最易集中的晶粒先開始,組織愈不均勻,這種起始塑性變形的選擇性就愈突出。由圖可知已萌生的裂紋在繼續加載的過程中擴展成為眾多的微裂紋,然而并不是所有的微裂紋都在繼續加載中擴展而形成大裂紋,微裂紋在擴散過程中選擇消耗能量少的途徑進行擴展,在裂紋尖端的塑性區內由于晶體各向異性和滑移系統不同使得形變不均勻容易在晶界或相界產生應力集中而形成裂紋核,而這些裂紋核在裂紋擴展中處于有利位相而不斷的擴展,并與部分周圍微裂紋連接形成主裂紋,大部分的夾雜相和空洞形成的小裂紋,在主裂紋形成以后則停止擴展圖.主裂紋擴展過程中,裂紋處于第二相與基體的界面時擴展速率減慢;繼續增大載荷,裂紋尖端在適當的位置又形成新的微裂紋,新的微裂紋繼續擴展形成主裂紋如圖。由可知當主裂紋發展的一定程度,繼續施加載荷時,裂紋急劇擴展,試樣表面已達到全面失穩而迅速斷裂,圖為試樣在不斷加載后斷裂的宏觀形貌.


三、討論


  1.  310S不銹鋼裂紋萌生有3種形式:夾雜相本身碎裂;雜相(或空洞)與基體運動不協調性產生應力集中;外加拉應力集中處。前兩種容易形成大量的微裂紋。施加加載應力后在不同位置形成的微裂紋中,處于有利位相并且消耗能量少的途徑進行擴展,擴展過程中與周圍微裂紋連接形成主裂紋。


  2. 裂紋的傳播是一個逐步擴散的過程,隨著拉應力的增加,已萌生的微裂紋有些在遇阻力后停止擴展,有些繼續擴展形成主裂紋,裂紋之間的金屬基體間的形成明顯滑移而發生明顯的塑性變形。


  3. 主裂紋發展到一定程度,周圍微裂紋不再擴展,繼續施加載荷時,裂紋急劇擴展導致試樣的迅速斷裂,試樣表面已達到全面失穩而斷裂。


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