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【Materials】铌稳定的奥氏体不锈钢在低周疲劳寿命中的氧化损伤演变
发表时间:2022-12-01 阅读次数:102次

引文格式:

GB/T 7714      

Choi W K, Ha S, Kim J C, et al. Oxidation Damage Evolution in Low-Cycle Fatigue Life of Niobium-Stabilized Austenitic Stainless Steel[J]. Materials, 2022, 15(12): 4073.

MLA      

Choi, Wan-Kyu, et al. "Oxidation Damage Evolution in Low-Cycle Fatigue Life of Niobium-Stabilized Austenitic Stainless Steel." Materials 15.12 (2022): 4073.

APA      

Choi, W. K., Ha, S., Kim, J. C., Park, J. C., Gong, A., & Kim, T. W. (2022). Oxidation Damage Evolution in Low-Cycle Fatigue Life of Niobium-Stabilized Austenitic Stainless Steel. Materials, 15(12), 4073.

 

背景简介

奥氏体不锈钢是工业界的重要材料,具有优良的耐热性和耐腐蚀性,作为车辆内燃机或电厂管道的重要部件被广泛用于高温环境中。这些部件或结构在其使用寿命周期内,要承受载荷变化和氧化损伤。而现有的研究主要集中在材料的断裂行为上。因此,为了确保奥氏体不锈钢的疲劳寿命,有必要了解在高温下,包括氧化损伤在内的微观结构变化的损伤特点。在这项工作中,研究人员在不同的温度下进行了低周疲劳试验,以确定氧化损伤与含铌奥氏体不锈钢疲劳寿命之间的关系。通过扫描电子显微镜、能谱X射线等微观结构观察技术分析了氧化损伤的特点

 

成果介绍

(1)与200 ℃和400 ℃的实验结果相反,在600 ℃观察到在氧化诱发的裂纹表面有一层灰色的薄层,厚度为0.1 µm和0.06 µm,发现氧化物侵入的渗透长度为2.01 µm和0.85 µm。此外,通过EDS分析也观察到Cr23C6。当Nb被添加到奥氏体不锈钢中时,NbC优先析出,它与碳的亲和力比铬强,并与碳结合,同时抑制材料内部Cr23C6的形成。与600 ℃相似,在800 ℃观察到Cr23C6的形成,氧化层的厚度(0.6 µm和0.54 µm)和氧化物侵入的渗透长度(50.8 µm和44.1 µm)表明,与600 ℃的实验结果相比,氧化反应更加活跃。XRD分析表明,在800 ℃时比在600 ℃时产生了更多的Cr23C6和NbC。(图1)

图1 0.5%应变幅的低周疲劳测试后,氧化损伤和碳化物析出的SEM-背散射电子图像:(a) 200 ℃;(b) 400 ℃;(c) 600 ℃;(d) 800 ℃;(e) NbC;(f) Cr23C6.

(2)根据试验样品的平均值和Neu-Sehitoglu氧化模型的预测值,总结了由氧化破坏形成的氧化层侵入的渗透长度。从200 ℃到400 ℃,无论应变幅的大小如何变化,都很难发现氧化物的侵入。然而,在600 ℃时,随着氧化物的形成,在应变幅度为0.4%和0.5%时,分别观察到2.01 μm和0.85 μm的氧化物侵入的渗透长度,而在800 ℃时,随着氧化物的形成增加,氧化物侵入的平均渗透长度为50.8 μm和44.1 μm。相反,从200 ℃到400 ℃,模型预测的氧化物侵入长度为0,在600 ℃为1.45 µm和0.70 µm,在800 ℃为35.6 µm和31.6 µm。(表1)。

表1 从试验和预测中得到的氧化物入侵的渗透长度结果

(3)图2(a)显示了仅使用基于断裂机制的寿命模型的预测值与试验结果的比较图。在除800 ℃以外的所有温度下,无论应变幅的大小如何变化,疲劳寿命的预测都在±2的系数之内。虽然400 ℃和600 ℃的疲劳试验处于奥氏体不锈钢的敏化温度范围内,但预测值与实验结果的差异在±2的系数内。从400 ℃试验的试样的微观结构分析结果来看,铌起到了尽可能抑制Cr23C6和氧化物形成的作用,因此观察到的氧化损伤很小。此外,在600 ℃进行的试验中,由于Cr23C6析出物的数量相对较少,所以与800 ℃的结果相比,氧化层的厚度、氧化层侵入的渗透长度和氧化层形成的损伤都相对较小。这意味着,与800 ℃时不同的是,在决定疲劳寿命方面,氧化的破坏作用并不明显,只需使用基于断裂机制的寿命模型,就可以在±2的系数内预测疲劳寿命。随着氧化的加重,应采用能够反映氧化引起的损伤的疲劳寿命预测模型来预测高温下的低周疲劳寿命。图2(b)显示了基于断裂力学的寿命模型和Neu-Sehitoglu模型相结合的疲劳寿命预测结果。如图所示,在200 ℃至800 ℃的温度范围内,在0.4%和0.5%的应变振幅条件下,疲劳寿命可以在±2系数的误差内预测,这是充分反映了疲劳的影响和氧化损伤的特点的结果。(图2)。

图2 疲劳寿命的试验值和预测值;(a)仅基于断裂机制的寿命模型;(b)考虑氧化损伤的预测模型

 

致谢

这项工作得到了韩国国家研究基金会(NRF)的支持(编号:R1A5A7025522)。本文通讯作者:Kim T W(Department of Mechanical Engineering, Hanyang University, Seoul 04763, Korea)。

本期小编:王康康(整理)

闵 琳(校对)

舒 阳(审核)

闵 琳(发布)