背景简介

双相不锈钢由铁素体（α）和奥氏体（γ）两相组成，兼具高强度与优异的耐腐蚀性能，因此被广泛应用于电厂、化工装置及近海工程结构等关键领域。然而，工程实践表明，许多工厂事故与疲劳断裂密切相关。随着近年来工业设备对长期安全服役要求的不断提高，提高材料的疲劳强度及抗疲劳裂纹扩展性能，对于保障关键结构与设备的安全性并延长其服役寿命具有重要意义。总体而言，双相不锈钢具有较好的疲劳裂纹扩展抗力，但在焊接或高温服役过程中，材料中可能出现贫铬区（即敏化）并析出硬而脆的σ相，从而降低材料的韧性和耐腐蚀性能，并可能导致其疲劳裂纹扩展性能劣化。

现有研究多集中于常规疲劳裂纹扩展速率区域。然而，随着设备长期服役需求的增加，且双相不锈钢被广泛应用于关键基础设施，对其近阈值疲劳裂纹扩展特性进行系统研究显得尤为必要，特别是对极低裂纹扩展速率区域的行为进行深入评估。此外，第二相颗粒对阈值疲劳裂纹扩展行为的影响通常取决于其脆性、尺寸及形貌特征。因此，对于含σ相颗粒的双相不锈钢而言，其疲劳裂纹扩展行为在常规裂纹扩展速率区域与极低裂纹扩展速率区域之间可能存在显著差异，这一问题仍有待进一步研究与评估。为此，本研究采用液压疲劳试验测量da/dN大于10-10 m/cycle的裂纹扩展速率，并采用超声疲劳试验测量da/dN为10-13到10-9 m/cycle的裂纹扩展速率。同时，通过扫描电子显微镜（SEM）观察断口形貌，以分析疲劳裂纹扩展机制，并探讨σ相对双相不锈钢近阈值疲劳裂纹扩展特性的影响。

成果介绍

（1）图1显示了KOH电解腐蚀后试样的微观结构。原始材料仅含γ与α相；在700 ℃时效5 h即出现σ相，且随时效时间延长其占比增加，材料脆性随之增强。图2、图3给出了超声逐步递增试验的典型结果和断裂表面：预裂纹从缺口延伸至虚线，在R = 0.8条件下，疲劳裂纹从虚线延伸至实线。以原始材料为例，N = 1×107与2×107周次时裂纹未扩展，至2.2×107周次因共振下降停机后在C、D处先行扩展；A、B处需再次提高ΔK后于3.1×107周次扩展，随后在恒定σa、σm下裂纹在A-D全部扩展直至失效。尽管裂纹前沿不均匀（A与D相差约2.5 mm），有限元验证表明当局部裂纹差达2 mm时，Führing公式与FE的K差异约16%，影响较小。700 ℃ 20 h的裂纹扩展趋势与断口形貌总体接近原始态，但裂纹前沿更均匀，可能与σ相面积比的局部差异有关。

图1 KOH电解腐蚀后获得的微观结构的显微照片：(a) 原始状态，(b) 700 ℃ 5小时，(c) 700 ℃ 10小时，(d) 700 ℃ 15小时，(e) 700 ℃ 20小时

图2 (a)原始材料和(b)700 °C 20小时的试样在超声疲劳试验中的曲线

图3 (a)原始材料和(b)700 °C 20小时试样的宏观断裂表面

（2）图4给出了液压疲劳试验得到的疲劳裂纹扩展速率关系，其中横坐标为有效应力强度因子范围。在应力比R = 0.8条件下裂纹不发生闭合，因此应力强度因子范围可视为有效应力强度因子范围。图中虚线表示WES2805标准给出的典型疲劳裂纹扩展曲线，其中ΔKth = 2 MPa·m1/2被定义为基于大量铁素体-珠光体钢疲劳裂纹扩展数据得到的下限阈值。结果表明，700 ℃ 5 h试样的裂纹扩展行为与原始材料基本一致，均符合WES2805所描述的扩展规律；而700 ℃ 10 h和700 ℃ 15 h试样的裂纹扩展速率明显高于原始材料及标准曲线。当时效时间超过5 h（即σ相面积分数大于约2.4%）时，在R = 0.8条件下裂纹扩展显著加快，且σ相含量对图3中疲劳裂纹扩展C区（快速扩展区）的影响尤为显著。

图4 通过液压疲劳试验获得的疲劳裂纹扩展特征

（3）采用SEM对超声疲劳裂纹扩展试验后的断口形貌进行了观察。图5分别给出了原始材料与700 ℃时效20 h试样在R = 0.8条件下的断裂表面形貌：低倍率图像显示了预裂纹边界及后续疲劳裂纹扩展区域，高倍图像则揭示了裂纹由预裂纹继续扩展后的局部断口特征。原始材料断口主要表现为细小台阶状特征和粗糙疲劳断面。由于试验在A区且应力比较高，未观察到明显条带。其中，粗糙断面对应γ相，细小台阶状特征则与α相有关，说明裂纹在原始材料中沿α相和γ相共同扩展。相比之下，700 ℃时效20 h试样的疲劳裂纹扩展速率明显升高。除细小台阶状和粗糙疲劳特征外，断口上还出现了明显的刻面状形貌，其尺寸约为5 μm，与显微组织中σ相的尺寸接近，表明该刻面来源于σ相断裂。进一步结果表明，700 ℃时效15 h和20 h试样的大部分断口均呈刻面状，而700 ℃时效5 h试样未见明显刻面，其裂纹扩展速率也与原始材料接近；700 ℃时效10 h试样则仅局部出现刻面，且相应区域裂纹扩展有所加快。由此可见，σ相断裂会形成刻面状断口，并与疲劳裂纹扩展加速密切相关。

图5 700℃ 20 h试样的断裂表面：(a) 低倍率和 (b) 高倍率（矩形标记的区域）

（4）图6给出了σ相面积分数与特定疲劳裂纹扩展速率下有效应力强度因子范围ΔKeff的关系。结果表明，随着裂纹扩展速率降低，ΔKeff整体呈下降趋势。对于原始材料，在10-10 m/cycle下ΔKeff为4-5 MPa·m1/2，明显高于钢材标准下限阈值2 MPa·m1/2，说明其近阈值裂纹扩展抗力较高；而在超声疲劳试验中，当速率降至10-13 m/cycle时ΔKth已接近2 MPa·m1/2，表明在极低裂纹扩展速率区，双相不锈钢的阈值逐渐逼近钢材标准下限。这种从常规近阈值区到极低速区的显著变化幅度，大于铝合金、镍基高温合金和高强钢等常见材料，体现出双相不锈钢独特的近阈值裂纹扩展行为。图7显示了含σ相双相不锈钢中的疲劳裂纹扩展机制：当σ相尺寸较小、分布稀疏时，裂纹倾向于绕过硬脆σ相扩展，其行为与原始材料相近；而当σ相尺寸和含量足够高时，裂纹尖端会促使σ相断裂，并逐步与裂纹前沿连通，从而加速裂纹扩展。由于周围α相和γ相仍具有一定塑性，且裂纹前沿在厚度方向上存在三维不均匀性，这一过程在局部可能表现为不连续扩展，但从宏观上看裂纹仍保持稳定连续扩展。

图6 不同σ相含量试样的 (a) 应力强度因子范围和 (b) 归一化应力强度因子范围总结

图7 σ相双相不锈钢中裂纹扩展示意图

致谢

本文第一作者和通讯作者为Shota Hasunuma（Aoyama Gakuin University）。

本期小编 王永杰（整理）

周子尧 （校对）

舒阳 （审核）

董乃健 （发布）