肖青山，秦贯洲2，唐 毅，陈银强，施少波

(1.中核武汉核电运行技术股份有限公司，武汉 430223；2.江苏核电有限公司，江苏连云港 222000)

0 引言

316LN不锈钢广泛应用于压水堆中的管道等部件，这些部件在启/停堆、功率瞬变过程中，经常承受因温度梯度造成的循环热应力，所以在设计和寿命分析中需要考虑低周疲劳(Low Cycle Fatigue,LCF)的失效模式[1-3]。

何国求等[4]对316L和316LN不锈钢进行了单轴和多轴的LCF试验，观察了疲劳位错结构，分析了合金元素N对疲劳特性及其微观结构的影响。陈凌等[5]对316L钢在420 ℃下进行了应力控制的LCF试验，分析了塑性应变、平均应变等参数的变化特性。闫永超等[6]研究了应变强化022Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢的室温LCF性能。Dutta等[7]对316不锈钢在0.3%～1.2%应变幅范围内进行LCF试验，分析了循环弹-塑性的应力-应变响应和疲劳损伤参数的变化。Samir等[8]对316LN不锈钢在加载应变速率3×10-3s-1下进行了LCF研究，分析了弹塑性响应特征。Botshekan等[9]在300 K和77 K下对316LN不锈钢进行了拉伸和LCF试验，研究温度对塑性变形过程和马氏体形成的影响。Kamaya[10]对316不锈钢的LCF样品进行了EBSD和SEM观测，以研究体积损伤对疲劳裂纹形成的影响。

本文对核级管道不锈钢材料316LN试样进行应变控制的LCF试验研究，分析疲劳循环特性和弹性模量的变化，使用Manson-Coffin关系式分析应变-寿命曲线，并将试验数据和ASME曲线进行对比。

1 LCF试验

1.1 材料和试样

图1 疲劳试样结构尺寸示意

试验中疲劳试样取自核级焊接管道中的316LN母材部分，试样纵向与管道轴向平行，中间平行段长度为25 mm，表面粗糙度Ra<0.2 μm，试样结构尺寸如图1所示。

1.2 试验过程

室温下的LCF试验在MTS Landmark370.10液压伺服试验机上进行，最大承载能力±50 kN。试验依据ASTM E606/E606M-12标准[11]，加载波形为三角波，应变比Rε=-1，平均应变εm=0，采用应变控制，加载频率为0.5 Hz。选取了5级不同水平的应变幅值，分别为εa=0.2%，0.3%，0.4%，0.6%，0.7%，为了降低试验误差，在每级应变幅水平下测试最少3个疲劳试样，并记录应力-应变曲线数据和疲劳寿命Nf。

2 试验结果和分析

2.1 迟滞回线

疲劳试样在5级应变幅水平下的迟滞回线如图2所示。每级应变幅水平下选取一件代表性试样描述应力-应变关系，每个试样分别选取了初始循环(第2和10循环)、中间循环和接近失效时的循环应力-应变数据，图2(f)中为5级应变幅水平下中间循环时的稳定迟滞回线对比。在疲劳加载和卸载的过程中迟滞回线近似对称，随着应变幅值由0.2%增大到0.7%，迟滞回线变宽、变高、面积增大。在每级应变幅水平下，随着疲劳循环数的增加，试样从初始循环到稳定循环、直至接近失效的过程中表现出循环软化的特征。

(a)应变幅0.2%(试样号：2SPL-20) (b)应变幅0.3%(试样号：2SPL-25)

(c)应变幅0.4%(试样号：2SPL-17)

(d)应变幅0.6%(试样号：2SPL-22)

(e)应变幅0.7%(试样号：2SPL-28)

(f)中间循环

图2 各级应变幅水平下的迟滞回线

2.2 循环响应

应变控制下的疲劳试样在各级应变幅水平时应力峰值、谷值随疲劳循环数的变化如图3所示。

图3 应力峰值和谷值随疲劳循环数的变化

从图3可看出，峰值和谷值的变化表现出了相同趋势。在应变幅水平较低(Δεt/2=0.2%)时，随着循环数的增加，应力峰值和谷值缓慢降低，试样表现出循环软化特征；随着应变幅值增加(Δεt/2>0.2%)，在初始前约10个循环时，随着循环数的增加，应力峰值和谷值缓慢增加，试样表现出循环硬化特征，大约10个循环之后、直至试样断裂的过程中表现出循环软化的特征，且没有表现出稳定的循环应力状态。随着应变幅水平的增加，初始循环硬化和后期循环软化的程度也都在增加。

2.3 弹性模量

根据迟滞回线得到了各级应变幅水平下循环弹性模量随疲劳循环数变化的关系曲线，如图4所示。其中，循环弹性模量E*为峰值拉伸应力后卸载模量ET和谷值压缩应力后卸载模量EC的平均值(E*=(ET+EC)/2)。从图4(a)～(e)可以看出,在疲劳初始阶段，循环弹性模量缓慢下降，应变幅值较大(0.6%和0.7%)时下降程度较大，0.1Nf后下降趋于平缓，在疲劳过程中大部分阶段几乎保持稳定。当εa≤0.4%时，循环数达到0.9Nf时模量值迅速下降；当εa>0.4%时，循环数达到0.8Nf时模量值已开始下降。从图4(f)可以看出，随着应变幅值由0.2%增加到0.7%，疲劳中间过程中的弹性模量值在下降。文献[12-14]对疲劳过程中弹性模量的损伤特性与疲劳裂纹萌生阶段、扩展阶段的联系进行了研究，弹性模量急剧降低的点可以作为疲劳裂纹萌生和扩展的分界点。

(a)εa=0.2% (b)εa=0.3%

(c)εa=0.4%

(d)εa=0.6%

(e)εa=0.7%

(f)各级应变幅下模量变化

图4 各级应变幅水平下循环弹性模量随疲劳循环数的变化

2.4 疲劳寿命曲线

2.4.1 Manson-Coffin曲线

弹性应变幅Δεe/2和疲劳寿命Nf的关系可以由Basquin公式[15-16]进行描述：

(1)

式中σ′f——疲劳强度系数；

E——弹性模量，MPa；

b——疲劳强度指数。

塑性应变幅Δεp/2和疲劳寿命Nf的关系可以由Manson-Coffin[17]经验式进行描述：

(2)

式中ε′f——疲劳强度延性系数；

c——疲劳强度延性指数。

上述两公式描述的总应变幅和疲劳寿命的关系式如下：

(3)

总应变幅-寿命、弹性应变幅-寿命和塑性应变幅-寿命曲线如图5(a)所示,弹性应变幅-寿命曲线和塑性应变幅-寿命曲线的交点处疲劳寿命Nf=24 000次，当Nf<24 000次时，塑性应变占主导，抗疲劳变形主要由延性控制；当Nf>24 000次时，弹性应变占主导，抗疲劳变形主要由强度控制。

(a)应变幅-寿命曲线 (b)试验数据和ASME规范曲线

图5 疲劳寿命曲线

2.4.2 ASME规范疲劳设计曲线

建立在Langer公式基础上的ASME规范疲劳曲线，虚拟应力幅Sa依据总应变范围Δεt和弹性模量E计算：

Sa=EΔεt/2

(4)

试验数据和ASME规范奥氏体不锈钢疲劳设计曲线的对比见图5(b)，试验数据点均位于ASME规范曲线上方，所以ASME规范曲线存在安全裕度。

3 结论

(1)试样在所施加的0.2%～0.7%应变幅范围内，初始约10个循环内表现出循环硬化，之后表现出循环软化、直至失效，且应变幅越大时，初始循环硬化和后期循环软化的程度越大。

(2)循环弹性模量在前10%寿命期内缓慢下降，之后趋于平缓，在达到80%～90%寿命后开始下降，且应变幅值较大时，疲劳中间过程中的循环弹性模量值较小。

(3)试样的应变-疲劳寿命可以用Basquin和Manson-Coffin公式描述。获得的疲劳曲线参数对0.2%～0.7%应变范围内试验结果的拟合效果较好，表明上述公式可以用于预测低周疲劳寿命。