王金龍， 高斯博， 楊宇星， 鮑永杰， 彭文杰

(1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026； 2.大連測(cè)控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013； 3.武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院, 湖北 武漢 430080)

FV520B-I是一種重要的工程材料，由于其具有高強(qiáng)度、高硬度、良好的耐磨性等優(yōu)良的機(jī)械及力學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)化工、船舶、海洋工程等領(lǐng)域中的核心零部件[1-4]。FV520B-I在服役過(guò)程中受到循環(huán)載荷的不斷作用，其疲勞壽命均已達(dá)到超高周范疇。同時(shí)，F(xiàn)V52B-I零部件還要面臨十分復(fù)雜的工況環(huán)境[5]，乙烯氣、硫化物氣體、水蒸氣、海水等，這些腐蝕性介質(zhì)與循環(huán)載荷共同作用，形成腐蝕疲勞，加速了FV520B-I疲勞裂紋的擴(kuò)展，降低了疲勞壽命，導(dǎo)致FV520B-I更容易發(fā)生破壞，嚴(yán)重影響了工業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行，對(duì)FV520B-I零部件的再制造也有不可忽略的作用。針對(duì)FV520B-I的腐蝕疲勞行為已經(jīng)開(kāi)展了部分研究，魏仁超等[6]、Wu等[7]針對(duì)潮濕H2S+Cl-環(huán)境及不同溫度情況下的FV520B-I的腐蝕疲勞性能進(jìn)行了研究，并且提出了考慮應(yīng)力、溫度及腐蝕綜合影響的疲勞壽命模型。雒設(shè)計(jì)等[8]采用動(dòng)電位極化和電化學(xué)阻抗譜研究了FV520B不銹鋼在3.5%NaCl溶液以及CO2、H2S等氣體的3.5%NaCl溶液中的電化學(xué)腐蝕行為。FV520B-I在空氣環(huán)境下的疲勞失效及壽命預(yù)測(cè)得到了廣泛關(guān)注[9]，針對(duì)超聲加載頻率[10-11]、表面粗糙度[12-18]等因素對(duì)FV520B-I疲勞壽命的影響也開(kāi)展了相應(yīng)的研究。

雖然這些研究已經(jīng)取得了比較豐富的成果，但仍處于初步探索階段，很多問(wèn)題仍未得到很好的解決。其中鹽水環(huán)境下FV520B-I的超高周腐蝕疲勞失效相關(guān)研究尚未得到開(kāi)，其失效行為與機(jī)理尚不明確。本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，采用試驗(yàn)與理論相結(jié)合的方法，分析了3種介質(zhì)環(huán)境中FV520B-I的失效機(jī)理與特征，提出了相應(yīng)的應(yīng)力-壽命曲線，為保證FV520B-I零部件正常工作、明確廢舊零部件可再制造性提供了重要的理論依據(jù)。

1 腐蝕疲勞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及環(huán)境

超聲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)具有高效率、低能耗、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于金屬材料超高周疲勞失效研究中。本文使用島津USF-2000(Ultrasonic Fatigue Test System，USF-2000)超聲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，載荷頻率為20 kHz±500 Hz，試驗(yàn)環(huán)境介質(zhì)分別為空氣、水及3.5%NaCl溶液，如圖1所示。

圖1 疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 The fatigue test system

試驗(yàn)中載荷為對(duì)稱(chēng)循環(huán)載荷，應(yīng)力比為r=-1，平均應(yīng)力為0。應(yīng)力幅值σa設(shè)定為475～650 MPa，間隔為25 MPa。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中所使用的材料是離心壓縮機(jī)葉輪用鋼FV520B-I，熱處理過(guò)程為：固溶化處理，時(shí)間1～1.5 h，溫度(1 050±10)℃，空氣冷卻；調(diào)整處理，時(shí)間3～3.5 h，溫度(850±10)℃，油浴冷卻；時(shí)效處理，時(shí)間4～5 h，溫度(470±10)℃，空氣冷卻。熱處理完成后對(duì)FV520B-I進(jìn)行靜力學(xué)測(cè)試，其力學(xué)參數(shù)為：彈性模量E=194 GPa，抗拉強(qiáng)度Rm=1 180 MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2=1 029 MPa，維氏硬度HV=380 kgf/mm2，斷后伸長(zhǎng)率A=16.07%，密度ρ=7.82×103kg/m3。

2 腐蝕疲勞壽命

2.1 腐蝕環(huán)境對(duì)疲勞壽命的影響

如圖2所示為試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，包括不同試驗(yàn)介質(zhì)條件下的應(yīng)力幅值σa，疲勞壽命Nf，以及FV520B-I在不同試驗(yàn)介質(zhì)條件下應(yīng)力-壽命的定性變化趨勢(shì)曲線。

圖2 空氣、水及3.5%NaCl溶液中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布Fig.2 The distribution of the test data in air, water and 3.5%NaCl solution

根據(jù)圖2可知，在不同試驗(yàn)介質(zhì)條件下得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有不同分布特點(diǎn)：在空氣環(huán)境下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布可以分為2個(gè)區(qū)域，第1區(qū)域?yàn)閴勖∮?08周次，此時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布呈現(xiàn)出連續(xù)下降的趨勢(shì)，且斜率較大；第2區(qū)域?yàn)閴勖笥?08周次，此時(shí)應(yīng)力與壽命的關(guān)系趨于平緩，并出現(xiàn)未斷裂的情況。在水與3.5%NaCl溶液環(huán)境中，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布為連續(xù)下降型，并沒(méi)有出現(xiàn)空氣情況下的平緩階段。試驗(yàn)結(jié)果表明，水和3.5%NaCl溶液環(huán)境中FV520B-I鋼的疲勞性能相較于空氣環(huán)境大幅降低。本試驗(yàn)得到的FV520B-I空氣環(huán)境的條件疲勞強(qiáng)度為550 MPa，而水與3.5%NaCl溶液環(huán)境下并未出現(xiàn)無(wú)限壽命的情，即使應(yīng)力幅值下降到450 MPa(比空氣環(huán)境中的條件疲勞強(qiáng)度降低100 MPa)，F(xiàn)V520B-I試件仍發(fā)生斷裂，且疲勞壽命未達(dá)到超高周量級(jí)。對(duì)比不同試驗(yàn)環(huán)境下FV520B-I的疲勞壽命可以看出，在相同的應(yīng)力幅值條件下，空氣環(huán)境下的疲勞壽命最大，疲勞壽命均大于107周次，屬于超高周范圍；3.5%NaCl溶液環(huán)境中的疲勞壽命最小，疲勞壽命基本處于高周范圍；水環(huán)境中的疲勞壽命處于106～108周次。腐蝕介質(zhì)中的各類(lèi)元素會(huì)與試件材料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，加速裂紋萌生，從而使水與3.5%NaCl溶液環(huán)境下的疲勞壽命比空氣中的低。而在3.5%NaCl溶液中，Cl-與疲勞載荷的共同作用，破壞腐蝕疲勞過(guò)程中形成的鈍化膜，與試件材料發(fā)生反應(yīng)，加速疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展，因此疲勞壽命最低。當(dāng)應(yīng)力幅值較高時(shí)，水環(huán)境相比于空氣中的疲勞壽命下降幅度要高于3.5%NaCl溶液相比于水環(huán)境的壽命下降幅度。隨著應(yīng)力幅值的降低，3.5%NaCl溶液相比于水環(huán)境壽命的下降幅度要高于水環(huán)境相比于空氣中疲勞壽命的下降幅度。因?yàn)樵谳^小的應(yīng)力幅值條件下，腐蝕介質(zhì)與試件接觸時(shí)間增長(zhǎng)，環(huán)境中Cl-離子等腐蝕因素對(duì)FV520B-I疲勞性能的衰減作用逐漸凸顯，腐蝕介質(zhì)在疲勞失效的過(guò)程中占主導(dǎo)作用，因此最終疲勞壽命下降的幅度更大。

2.2 不同環(huán)境下的應(yīng)力-壽命模型

為了探索材料疲勞性能，需要明確疲勞載荷與壽命之間的映射關(guān)系。應(yīng)力-壽命曲線是目前最常用的描述應(yīng)力幅值與疲勞壽命之間定量關(guān)系的方法，常用的模型為指數(shù)函數(shù)公式、冪函數(shù)公式、Basquin公式及Weibull公式等?？紤]圖2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)以及試驗(yàn)量，選用冪函數(shù)公式作為基本模型來(lái)描述應(yīng)力-壽命曲線的連續(xù)下降部分：

SαNf=C→S=C1/αN-1/α

(1)

式中：S為應(yīng)力幅值，MPa；Nf為疲勞壽命；α與C為模型常數(shù)，該模型常數(shù)是與試驗(yàn)環(huán)境、載荷參數(shù)、材料屬性相關(guān)的參數(shù)。在相同的載荷參數(shù)與材料的情況下，當(dāng)試驗(yàn)環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，模型的具體形式及曲線也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。目前，對(duì)于離心壓縮機(jī)葉輪用鋼FV520B-I在水及3.5%NaCl溶液情況下的模型參數(shù)尚不明確，需要以試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上對(duì)模型中的未知參數(shù)進(jìn)行擬合，確定FV520B-I的參數(shù)值，從而建立針對(duì)FV520B-I的不同工況環(huán)境下的應(yīng)力-壽命模型。將上述模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，設(shè)C1/α=A，則冪函數(shù)公式簡(jiǎn)化為：

S=AN-1/α

(2)

根據(jù)圖2中的試驗(yàn)結(jié)果(Si,Nf,i)(i=1、2、…)，以此為基礎(chǔ)對(duì)式(1)進(jìn)行擬合，用連續(xù)的曲線或者是解析表達(dá)式來(lái)逼近離散數(shù)據(jù)，近似刻畫(huà)出平面上的由離散點(diǎn)組成的坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到不同試驗(yàn)條件下的模型參數(shù)，如表1所示，該結(jié)果的置信區(qū)間為95%。

表1 不同試驗(yàn)環(huán)境下的模型參數(shù)

隨著試驗(yàn)環(huán)境的腐蝕性逐漸增強(qiáng)(空氣-水-3.5%NaCl溶液)，模型常數(shù)A先降低后增大，模型常數(shù)α先增大后降低。通常情況下，冪函數(shù)公式是描述空氣環(huán)境中應(yīng)力與壽命之間的定量關(guān)系，由于空氣中的疲勞失效未考慮腐蝕的影響，以疲勞載荷作為主要驅(qū)動(dòng)力，此時(shí)模型參數(shù)A與α分別反映出只考慮疲勞載荷情況下材料抵抗疲勞失效的能力與試驗(yàn)條件對(duì)疲勞壽命的影響。當(dāng)使用冪函數(shù)公式對(duì)非空氣環(huán)境的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量描述時(shí)，模型系數(shù)A與α則表示環(huán)境參數(shù)對(duì)疲勞失效的影響。在水環(huán)境中，雖然水與試件發(fā)生了腐蝕反應(yīng)，但水環(huán)境對(duì)試件腐蝕疲勞失效的影響小于疲勞載荷對(duì)試件腐蝕疲勞失效的影響，疲勞載荷仍是引起最終失效的主要驅(qū)動(dòng)力，因此試件環(huán)境由空氣變?yōu)樗畷r(shí)，模型系數(shù)A減小，而模型常數(shù)α增大。在3.5%NaCl溶液中，由于Cl-等腐蝕因素的作用，腐蝕對(duì)試件失效的作用增強(qiáng)，腐蝕與疲勞逐漸形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，二者都是引起腐蝕疲勞失效的主要驅(qū)動(dòng)力。因此試驗(yàn)環(huán)境由水變?yōu)?.5%NaCl溶液時(shí)，模型系數(shù)A增大與模型常數(shù)α減小表示的是在循環(huán)載荷的作用下，腐蝕環(huán)境對(duì)試件失效的影響增大。根據(jù)模型參數(shù)的變化也可以看出，在腐蝕疲勞的失效過(guò)程中，腐蝕與疲勞之間存在競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系。當(dāng)腐蝕與疲勞對(duì)最終失效的“主導(dǎo)關(guān)系”發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的模型參數(shù)也會(huì)隨之改變。將參數(shù)代入到式(2)中，得到不同試驗(yàn)環(huán)境下FV520B-I的應(yīng)力-壽命曲線模型:

(3)

根據(jù)式(3)可以得到FV520B-I在不同試驗(yàn)環(huán)境下S-N曲線連續(xù)下降部分曲線，如圖3所示?？梢钥闯觯瑘D3中的曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)保持一致的趨勢(shì)線分布，并且考慮到FV520B-I疲勞壽命具有概率分布的特點(diǎn)，式(3)可以用來(lái)定量描述FV520B-I不同環(huán)境下的應(yīng)力與壽命之間的映射關(guān)系。

圖3 不同試驗(yàn)環(huán)境下的S-N曲線Fig.3 The S-N curves in different test environments

3 試驗(yàn)斷口特征及討論

根據(jù)試驗(yàn)得到的疲勞壽命將試件斷口特征分為超高周斷口特征與高周斷口特征。在空氣環(huán)境中，疲勞失效均處于超高周范圍；在水環(huán)境中，高周疲勞失效與超高周疲勞失效均有發(fā)生；在3.5%NaCl溶液環(huán)境中，疲勞失效均發(fā)生于高周階段。

3.1 不同試驗(yàn)環(huán)境下超高周疲勞失效斷口特征

根據(jù)圖2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，空氣環(huán)境中的疲勞壽命以及部分水環(huán)境中的疲勞壽命達(dá)到了超高周范圍，使用掃描電鏡顯微鏡對(duì)試件斷口進(jìn)行觀察。

在空氣環(huán)境中，F(xiàn)V520B-I超高周疲勞失效斷口分為疲勞裂紋的擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)，并且在擴(kuò)展區(qū)中可以觀察到明顯的魚(yú)眼區(qū)，為超高周疲勞失效最顯著的特征，如圖4(a)所示，其應(yīng)力幅值與對(duì)應(yīng)的疲勞壽命為575 MPa與7.99×107。在疲勞裂紋源附近可以觀察到粒狀亮面區(qū)，表明疲勞失效是由內(nèi)部夾雜物引起的，如圖4(b)所示。

圖4 空氣環(huán)境中的超高周斷口特征Fig.4 VHCF fracture characteristics in air

圖5所示為水環(huán)境中的超高周失效斷口特征(500 MPa，1.22×108)，超高周疲勞失效的宏觀斷口特征如圖5(a)所示，同樣可以觀察到疲勞裂紋的擴(kuò)展區(qū)域與瞬斷區(qū)域，2個(gè)區(qū)域之間存在明顯的界限，但是并沒(méi)有觀察到空氣環(huán)境中超高周斷口特征中存在的魚(yú)眼區(qū)。如圖5(b)所示，可以看出此時(shí)疲勞失效起源于試件表面，在疲勞裂紋源附近并未觀察到明顯的腐蝕凹坑，由于水環(huán)境的弱腐蝕性在整個(gè)疲勞失效過(guò)程中并未對(duì)試件材料產(chǎn)生明顯的影響。同時(shí)，在斷口表面存在明顯的疲勞輝紋與撕裂棱，這與空氣環(huán)境中的表面失效特征相似。

圖5 水環(huán)境中的超高周斷口特征Fig.5 VHCF fracture characteristics in water

3.2 不同試驗(yàn)環(huán)境下高周斷口特征

根據(jù)圖2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，3.5%NaCl溶液中的壽命及部分水環(huán)境中的疲勞壽命處于高周階段。如圖7所示為水環(huán)境中的高周斷口特征(圖6(a)、(b)為550 MPa，8.16×106；圖6(c)、(d)為600 MPa，4.50×105)?？梢钥闯?，在水環(huán)境中，高周與超高周斷口特征相似，從宏觀角度可以將斷口分為擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)，如圖6(a)、(c)所示。疲勞失效同樣起源于表面，能夠在擴(kuò)展區(qū)中觀察到明顯的疲勞裂紋與撕裂棱，這都是表面疲勞失效的典型特征，如圖6(b)、(d)所示。

圖6 水環(huán)境中的高周斷口特征Fig.6 HCF fracture characteristics in water

3.5%NaCl溶液環(huán)境中的試件斷口特征如圖7(a)(500 MPa，1.01×106)、(b)(475 MPa，8.31×105)所示。3.5%NaCl溶液中試件斷口比水環(huán)境及空氣環(huán)境中的試件斷口更加粗糙，并且能夠觀察到一定數(shù)量的腐蝕坑及腐蝕產(chǎn)物。這些腐蝕坑一般都處于靠近裂紋源的位置，試件由表面裂紋源及腐蝕坑處起裂，并在腐蝕介質(zhì)及循環(huán)載荷的共同作用下不斷擴(kuò)展，腐蝕坑與疲勞裂紋相互影響，不斷擴(kuò)大，最終導(dǎo)致疲勞失效。因此，在3.5%NaCl溶液環(huán)境中的試件的疲勞失效相較于另外2種環(huán)境中的疲勞壽命發(fā)生了大幅的下降。

圖7 3.5%NaCl溶液環(huán)境中的斷口特征Fig.7 Fracture characteristics in 3.5% NaCl solution

4 結(jié)論

1)水和3.5%NaCl溶液環(huán)境中FV520B-I鋼的疲勞性能相較于空氣環(huán)境大幅降低，且疲勞壽命主要處于高周范圍。因?yàn)镃l-與疲勞載荷的共同作用，破壞腐蝕疲勞過(guò)程中形成的鈍化膜，與試件材料發(fā)生反應(yīng)，加速疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展，因此疲勞壽命最低。

2)當(dāng)應(yīng)力幅值較高時(shí)，水環(huán)境相比于空氣中的疲勞壽命下降幅度要高于3.5%NaCl溶液相比于水環(huán)境的壽命下降幅度。隨著應(yīng)力幅值的降低，3.5%NaCl溶液相比于水環(huán)境壽命的下降幅度要高于水環(huán)境相比于空氣中疲勞壽命的下降幅度。

3)提出的FV520B-I在不同試驗(yàn)環(huán)境下的冪函數(shù)模型，隨著試驗(yàn)環(huán)境的腐蝕性逐漸增強(qiáng)(空氣-水-3.5%NaCl溶液)，F(xiàn)V520B-I的壽命模型常數(shù)A先降低后增大，模型常數(shù)α先增大后降低。根據(jù)模型參數(shù)的變化也可以看出，在腐蝕疲勞的失效過(guò)程中，腐蝕與疲勞之間存在競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系。

4)3.5%NaCl溶液環(huán)境中FV520B-I試件斷口表面比空氣環(huán)境及水環(huán)境的試件斷口表面粗糙，能夠觀察到腐蝕點(diǎn)、腐蝕坑等腐蝕作用的特征，腐蝕介質(zhì)與疲勞載荷共同作用，最終導(dǎo)致疲勞失效的發(fā)生。

本文仍存在以下問(wèn)題需要深入研究：1)在現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，仍需進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)，增加試驗(yàn)量，豐富試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高應(yīng)力-壽命模型參數(shù)的擬合精度，對(duì)已提出的應(yīng)力-壽命模型進(jìn)行修正；2)針對(duì)目前的試驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)一步開(kāi)展不同試驗(yàn)環(huán)境的腐蝕疲勞試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)環(huán)境的多樣性，通過(guò)比較不同環(huán)境下的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)分析不同腐蝕介質(zhì)對(duì)FV520B-I的疲勞壽命的影響，揭示FV520B-I腐蝕疲勞失效機(jī)理。