护环用奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N室温高周疲劳性能研究

王辉亭，任涛林，吴双辉，文道维，赵　鹏，侯世璞，刘　巍， 孙叶楠， 刘毅祥（. 哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 50040； 2. 哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 50040；3. 水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 50040）

护环用奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N室温高周疲劳性能研究

王辉亭1，任涛林2，3，吴双辉2，3，文道维2，3，赵鹏2，3，侯世璞2，3，刘巍1， 孙叶楠1， 刘毅祥1
（1. 哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040； 2. 哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040；3. 水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040）

本文研究了护环用奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N在室温条件下的高周疲劳性能。对疲劳性能S-N曲线进行了拟合分析结果表明，疲劳性能曲线能用指数函数100.00988SN=1010.2276表示。用SEM进行了断口观察，分析结果显示疲劳裂纹区始于试样的表面，裂纹扩展区出现大量的疲劳条纹、瞬断区和剪切唇区。

高周疲劳性能；奥氏体不锈钢；断口形貌

0　引言

护环是汽轮发电机的关键受力部件，在高温、应力和腐蚀等恶劣环境下服役，这对护环用钢在高强度、长寿命、高安全性方面提出了更高的要求，为了提高材料的使用寿命和使用可靠性，研究材料的疲劳强度有非常重要的意义［1］。目前，对于护环用1Mn18Cr18N奥氏体不锈钢高周疲劳性能的研究鲜有报道。本文研究了护环用奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N在室温条件下的高周疲劳性能及断裂机制，为选材和设计提供了数据参考。

1　材料及试验方法

试样用材料取自德阳万鑫电站产品开发有限公司生产护环中环的切向部位，利用红外碳硫仪（型号CS800）、等离子光谱仪（ICAP6300）和直读光谱仪（型号 Metal 75-80）测得各主要元素的含量，见表1。如图1所示为室温下护环用奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N拉伸条件下的应力应变曲线，由图可知Rp0.2=1069.28MPa，Rm=1069.67MPa。

疲劳试验使用的设备是长春浩园试验机有限公司生产的HYG-300型高频疲劳试验机，试验机的控制和测量系统均符合 GB/T 3075-2008的要求。试验采用M14的圆形横截面试样，如图2所示，测量部分直径d=7mm，满足GB/T 3075-2008中夹持端直径D≥2d的要求。试验频率为试验机与试样的固有频率，本试验使用的试样频率为81～83Hz，当试验频率下降8Hz或者试验载荷下降4kN时，认为试样失效，试验终止，幵记录循环次数。疲劳试验采用液压伺服轴向疲劳机在应力比为R=-1下进行单轴拉压疲劳试验。

表1　各主要元素含量

高周疲劳断口采用超声波进行清洗，然后用HITACHI-S3700N高分辨扫描电镜进行观察。

2　试验结果与讨论

护环用奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N高周疲劳试验结果见表2。

图3为根据奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N室温高周疲劳试验结果所作的S-N曲线和S-lgN的拟合图。从图3（a）可以看出，奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N在0～2106周次的范围内的 S-N曲线斜率急剧下降；在2106～8106周次范围内曲线斜率逐渐保持平缓，其中平缓区域对应的载荷应力幅约为350MPa，在此应力幅下，试样仍然可以发生疲劳断裂。用相关系数进行了S-lgN曲线的直线拟合检验，通过检验证明了S与 lgN之间符合线性关系［2-5］。对室温下的高周疲劳数据的S-N关系进行拟合，获得S-N关系。

式中，S为应力，单位MPa；N为循环次数；R为拟合相似度。

图1　奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N室温拉伸曲线

图2　疲劳试样的几何尺寸

图4为常温高周疲劳条件下的室温疲劳断口处的显微组织。从图4（a）可以看出，室温交变载荷作用下，材料内部存在位错密度很高，出现大量的位错缠结。从图4（b）可以看出，在切应力作用下，大量的位错滑动，产生平行或交叉的滑移线。根据观察，奥氏体晶粒内滑移线之间的夹角为57o～70o。根据晶体学理论，｛111｝晶面之间的夹角理论计算值为 70o32'。实测值基本符合晶体学的位相关系［6］。

对室温疲劳试验后的奥氏体不锈钢 1Mn18Cr18N试样进行观察和分析可知，宏观断口包括疲劳裂纹源区（1），裂纹扩展区（2），瞬断区（3）和剪切唇区（4），如图5（a）所示。由于表面应力最高，疲劳裂纹萌生于试样的外表面。裂纹扩展区呈现典型的疲劳条纹。在恒定的循环载荷下，裂纹尖端不断地滑移，向前扩展一个条带宽度形成疲劳条纹，如图5（b）所示。裂纹瞬断区的微观形貌为韧窝，表明试样最后的断裂方式为微孔聚集的韧性断裂，典型的韧性断裂，如图 5 （c）所示。

图3　应力-寿命（S-N）曲线

表2　奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N高周疲劳试验结果

图4　室温下奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N试样疲劳处的显微组织

图5　奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N室温高周疲劳断口

3　结论

（1）室温时，奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N的S- N关系为100.00988SN=1010.2276。

（2）奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N室温高周疲劳宏观断口由疲劳裂纹源区、裂纹扩展区、瞬断区和剪切唇区组成。

［1］陈曦， 戴起勋， 陈康敏， 洪彪， 陈华钢. 一种新型高氮奥氏体不锈钢高周疲劳性能的研究［J］. 材料导报， 2008， 22： 232-234.

［2］刘瑜. 奥氏体不锈钢 24Mn18Cr3Ni0.62N疲劳性能的研究［D］. 江苏大学硕士论文， 2009.

［3］熊茹， 王理， 刘桂良， 等. Ti-4Al-2V合金高周疲劳性能研究［J］. 核动力工程， 2010， 4： 114-117.

［4］熊茹， 赵宇翔， 乔英杰， 等. SCWR候选不锈钢的高周疲劳行为研究［J］. 核动力工程， 2013， 1：150-156.

［5］班丽丽. 中碳Si-Mn系高强度TRIP钢高周疲劳破坏行为研究［D］. 昆明理工大学博士论文， 2008.

［6］刘瑜， 戴起勋， 陈康敏， 等. 高氮奥氏体不锈钢室温疲劳断口分析［J］. 金属热处理， 2009， 34（4）：56-59.

王辉亭（1974-），1997年毕业于南昌航空工业学院金属材料及热处理专业，2007年毕业于哈尔滨工业大学材料工程专业获工程硕士学位，长期从事水轮机、水轮发电机和汽轮发电机材料研发和应用工作，高级工程师。

审稿人：过洁

High-cycle Fatigue Property at Ambient Temperature of Austenitic Stainless Steel Used in Retaining Ring

WANG Huiting1， REN Taolin2，3， WU Shuanghui2，3，WEN Daowei2，3， ZHAO Peng2，3，HOU Shipu2，3，LIU Wei1， SUN Yenan1， LIU Yixiang1
（1. Harbin Electric Machinery Company Limited， Harbin 150040， China； 2. Harbin Institute of Large Electrical Machinery， Harbin 150040， China； 3. State Key Laboratory of Hydro-power Equipment，Harbin 150040， China）

High cycle fatigue property of austenitic stainless steel 1Mn18Cr18N used in retaining ring at ambient temperature is investigated. The linear correlation of fatigue curve is analyzed， which indicates that fatigue curve can be expressed by exponential function 100.00988SN=1010.2276. Fractural characterization is studied by SEM， which indicated that macrofrature is composed of crack initiation， propagation， transient fault and shear lip zone.

high-cycle fatigue property； austenitic stainless steel； fracture morphology

TM312

A

1000-3983（2016）04-0019-03

本课题受到国家“863”课题《先进超超临界火电机组关键叶片和护环钢开发》（编号：2012AA03A502）的资助。

2015-02-03