(辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁 抚顺 113001)

1 引 言

316L奥氏体不锈钢具有很好的耐腐蚀性、焊接性及综合力学性能，因而被广泛应用于石油化工、航空航天等重要领域，此类设备需要长期在高温交变载荷条件下服役，因此奥氏体不锈钢高温疲劳性能一直备受关注[1-2]。在实际工程应用中，低周疲劳导致焊接接头的失效是比较常见的问题，研究316L不锈钢焊接接头高温低周疲劳规律，可以预防相关构件出现疲劳损伤破坏，提高使用安全性。近年来国内外学者对奥氏体不锈钢疲劳性能的影响因素有所研究，但对316L奥氏体不锈钢高温低周疲劳显微结构演变规律及损伤机理没有系统研究。本研究对316L奥氏体不锈钢焊接接头进行不同温度的低周疲劳试验，采用扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)对试样微观结构和裂纹萌生、扩展形貌进行分析，并探讨其位错结构的变化和损伤机理。

2 材料与方法

实验所用母材为316L奥氏体不锈钢，母材和焊缝填充金属材料(308L)的化学成分见表1。采用钨极氩弧焊(TIG)，焊接工艺详见表2。采用自带电炉加热和保温装置的 Instron1350 液压疲劳试验机对母材和焊缝试样分别进行应变控制的连续低周疲劳试验。疲劳试样的形状和尺寸如图1所示。加载波形为梯型波，试验温度为600℃，应变速率为4×10-3/s，总应变幅 Δεt分别为 ± 0.4%，±0.5%，±0.6%和±0.7%。将经过低周疲劳试验后的母材和焊缝试样沿轴向切开进行磨抛侵蚀后，利用光学显微镜(OM)对其疲劳裂纹的萌生与扩展进行观察，并利用SEM(TESCAN)对疲劳断口形貌进行观察分析。使用TEM(JOEL-2010FXII)对母材和焊缝试样进行微观结构观察。

表1 316L母材和308L 焊缝的化学成分/质量分数%
Table 1 Chemical composition of 316L base metal and 308L weld /mass fraction%

BrandCSiMnPSCrNiMoNB316L0.0250.361.190.0190.00216.8310.242.030.030.001308L0.030.761.180.0370.02318.39.50.0550.06-

图2 连续低周疲劳循环应力响应曲线 (a)316L母材;(b)308L焊缝Fig.2 Continuous low cycle fatigue stress response curve (a)base metal;(b)weld bead

表2 焊接工艺参数Table 2 Welding parameters

图1 疲劳试样的形状和尺寸Fig.1 Shape and size of the fatigue specimen

3 结果与分析

3.1 连续低周疲劳试验

分别对母材、焊缝试样进行应变控制的连续低周疲劳试验，得到不同试验条件下母材和焊缝的循环应力响应曲线，如图2所示。观察发现不同应变幅下母材和焊缝曲线的变化规律表现较为一致。通过曲线观察发现母材表现为循环硬化、循环稳定和试件破坏这三个典型阶段。在试验初始阶段发生较快的循环硬化，之后达到饱和阶段即表现为循环稳定，最后应力值急剧下降直到试件发生破坏(图2(a))。对比观察308L焊缝的循环应力响应曲线发现其与母材有明显不同，主要区别在于308L焊缝的循环响应不包含循环硬化和循环稳定阶段，如图2(b)所示，308L焊缝的循环应力表现为产生连续的循环软化直至试件失效[3]。

采用TEM对316L母材连续低周疲劳试验前后的微观结构进行观察，发现在低周疲劳试验后其位错密度明显增加。图3为低周疲劳试验前后母材和焊缝中位错结构的演变情况。观察发现试验前试样内有胞状位错结构形成，但该位错胞壁结构较为松散，因此没有形成完整的位错胞壁，如图3(a)所示。经过连续低周疲劳试验后的母材中发现了完整清晰的胞状位错结构，位错胞壁也较为清晰，如图3(b)所示。测试初期，由于母材产生塑性变形引起大量位错增殖，从而产生循环硬化现象。当位错增殖率和位错湮灭率达到一种平衡的状态，此时循环硬化和循环软化效应相互抵消，达到稳态状态。而对于焊缝金属而言，基体中有一定量的铁素体存在，在未经过疲劳试验的试样内部就存在较高密度的位错(图3(c))。通过观察疲劳试验后焊缝的位错演变发现位错密度有所下降，即出现了位错湮灭现象，这说明316L不锈钢焊接接头在疲劳过程中表现的循环特性与位错密度的变化规律密切相关，研究表明这种位错密度的下降是导致循环软化效应发生的根本原因[4-5]。

图3 316L奥氏体不锈钢低周疲劳试验前后微观组织的位错结构(T=600℃,Δεt=±0.5%)(a)试验前母材；(b)试验后母材；(c)试验前焊缝；(d)试验后焊缝Fig.3 Dislocation structure of 316L austenitic stainless steel before and after low cycle fatigue test (T=600℃,Δεt=±0.5%)(a)base material before test；(b)base material after test；(c)weld bead before test；(d)weld bead after test

3.2 裂纹的萌生与扩展

在SEM下分别对母材和焊缝疲劳断口进行观察，结果发现二者具有相似的断口形貌特征，二者均存在明显的疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区(图4(a)和图5(a))。由于母材和焊缝基体成分不同，因此滑移所产生的疲劳辉纹形貌也有所差别，如图4(b)和图5(b)所示。根据疲劳辉纹的方向并结合断口的宏观形貌可以判断裂纹扩展方向垂直于疲劳辉纹方向，以穿品方式扩展[6]。此外，在瞬时断裂区发现大量的韧窝存在，韧窝的中心往往存在着夹杂物或者本身存在的微小孔洞。通常含有微孔洞界面的失效机理为：微裂纹在界面微孔处萌生，微裂纹的长大和扩展，微裂纹间的相互连接，裂纹的失稳扩展导致断裂[7]。因此，焊接接头处孔洞的连接是最终导致焊接接头疲劳断裂的主要机制。

图4 316L母材疲劳断口特征 (a)宏观断口；(b)裂纹扩展区；(c)瞬断区Fig.4 Fatigue fracture characteristics of 316L base metal (a)macrofracture；(b)crack growth region；(c)final rupture region

图5 308L焊缝疲劳断口特征 (a)宏观断口；(b)裂纹扩展区；(c)瞬断区Fig.5 Fatigue fracture characteristic of 308L weld bead (a)macrofracture；(b)crack growth region；(c)final rupture region

4 结 论

1.316L母材疲劳试验中的位错增殖和位错湮灭现象是发生循环硬化现象和循环稳定的原因，308L焊缝中由于位错密度的下降导致发生循环软化，位错密度的变化是发生循环软化和硬化现象的根本原因。

2.在连续低周疲劳试验中母材和焊缝裂纹主要以穿晶方式扩展，焊接接头处孔洞的连接是最终导致焊接接头疲劳断裂的主要机制。