不同應(yīng)力比下沉淀硬化不銹鋼的超高周疲勞斷裂機制

Custom450沉淀硬化型不銹鋼是最近新開發(fā)的一種葉片鋼，具有高強度、高韌性，以及優(yōu)良的耐腐蝕性能；其強化機制主要為富銅相的時效強化和鉬、鈮元素的沉淀強化。目前對于Custom450不銹鋼的超高周疲勞性能尤其是在模擬工況環(huán)境下的超高周疲勞性能及疲勞斷裂機制研究還未見報道。為此，有人根據(jù)汽輪機低壓葉片的實際工作環(huán)境，在100℃含氧量小于1mg?L-1的飽和蒸汽環(huán)境下對Custom450不銹鋼進行了不同應(yīng)力比的超高周疲勞試驗，得到了相應(yīng)的超高周疲勞S-N曲線，分析了其疲勞特征，觀察了超高周疲勞斷口并分析了不同應(yīng)力比下的超高周疲勞斷裂機制。

試驗鋼為Custom450不銹鋼，化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）為C0.029，S0.001，Si0.43，Mn0.46，P0.017，Cr14.47，Ni6.29，Pb0.003，Sn0.002，Nb0.37，N0.014，Mo0.88，Cu1.46，V0.069，Al0.017。按照GB/T3075-2008和ASTME466-07，在試驗鋼上車削加工出疲勞試樣，軸向拋光使其表面粗糙度Ra小于0.2μm。為去除機加工所造成的表面殘余壓應(yīng)力，在疲勞試驗前將試樣置于真空爐中進行450℃保溫3h，然后以50℃?h-1冷卻至150℃后隨爐空冷的退火處理。

用光學(xué)顯微鏡觀察熱處理后試樣相鄰三個面的顯微組織，發(fā)現(xiàn)三個面的顯微組織相似、板條馬氏體寬度相近，可以認為該不銹鋼各向同性。采用氮氣除氧及真空除氧相結(jié)合的方法使超純水中氧含量小于1mg?L-1，然后利用蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生100℃的飽和水蒸氣；在該飽和水蒸氣中，利用PLG-100C型高頻疲勞試驗機對試樣進行軸向等幅力控制的疲勞試驗，載荷波形為正弦波，頻率為120Hz，應(yīng)力比R分別為-1、-0.6、0.1。試驗完后，利用掃描電子顯微鏡觀察試樣的疲勞斷口形貌，并用能譜儀分析其斷口微區(qū)的化學(xué)成分。結(jié)果表明：

（1）在應(yīng)力比為-1，-0.6，0.1進行疲勞試驗時，Custom450不銹鋼的S-N曲線沒有出現(xiàn)水平段，始終保持下降的變化趨勢；在107周次之后出現(xiàn)明顯拐點，該鋼的超高周疲勞壽命顯著下降。

（2）Custom450不銹鋼超高周疲勞試樣斷口有三種起裂模式，裂紋源分別位于表面加工缺陷處、內(nèi)部夾雜物處和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不連續(xù)處。