浅论材料屈强比与低周疲劳寿命之间的关系

龙老虎，张波，张邦强，杨明

（东方汽轮机有限公司 长寿命高温材料国家重点实验室，四川德阳，618000）



浅论材料屈强比与低周疲劳寿命之间的关系

龙老虎，张波，张邦强，杨明

（东方汽轮机有限公司 长寿命高温材料国家重点实验室，四川德阳，618000）

文章通过对IN625、2Cr11Mo1NiWVNbN和1Cr11Co3W3NiMoVNbNB 3种材料不同温度下的高温拉伸力学性能和低周疲劳性能的比较分析，发现室温条件下这3种材料的屈强比和低周疲劳寿命大致有相反的变化趋势，于是进一步通过理论分析，认为对于其他结构材料，这种变化趋势一般也是能够成立的。

屈强比，低周疲劳，寿命

0　引言

由于低周疲劳过程中材料所受载荷较大，会发生塑性变形，一般来说塑性好的材料低周疲劳性能也好，比如低合金钢、奥氏体钢、铜合金、固溶强化型的奥氏体镍基高温合金等；而像马氏体型钢、贝氏体型钢等合金强度高，抵抗塑性变形的能力差，高周疲劳性能优良，但是低周疲劳性能较差。

于是，衡量一种材料抵抗低周疲劳性能的主要指标就是这种材料的塑性变形能力，而判断材料的抵抗塑性变形能力常有两种方式：其一，采用断后延伸率和断面收缩率来表征，但是通过试验可以发现：断后延伸率和断面收缩率常常是不稳定的，与试验时试样的装卡方式、测量方法都有关系，特别是很多高温拉伸试验不要求测量断后延伸率和断面收缩率指标；其二，采用屈强比来表征，屈强比越小，表示材料塑性变形范围越大，反之，塑性变形范围越小。相对于断后延伸率和断面收缩率，材料的屈强比简单易得，屈服强度和抗拉强度都可以由机器测得，人为误差小得多，而且结果较为稳定，可以用来反映材料的抵抗塑性变形的能力，从而可以进一步间接反映材料抗低周疲劳性能的优劣。

目前，已经有很多工程构件采用屈强比来衡量材料的变形能力，如：油气管线［1］、飞机起落架［2］、桥梁建筑［3］、工程机械［4］等都对材料屈强比有一定的要求，从而保证了工程构件有一定的变形安全余量。近年来，关于材料屈强比和断裂韧性的关系也开始获得重视，并有研究者开始尝试量化两者之间的关系［5-6］。

本文通过对固溶强化型奥氏体高温合金IN625和马氏体型不锈钢2Cr11Mo1NiWVNbN、1Cr11Co-3W3NiMoVNbNB不同温度下屈强比和低周疲劳寿命之间的关系进行分析比较，讨论了两者之间的关系。

1　试验材料和试验方法

1.1试验材料

IN625是一种Ni-Cr固溶强化型镍基高温合金，从冷冻温度到高温都具有良好的强度和韧性，在燃气轮机、核电、航天航空、石油化工领域都有广泛应用，其典型化学成分［7］见表1。

表1　IN625的化学成分wt.%

2Cr11Mo1NiWVNbN和1Cr11Co3W3NiMoVNb-NB都是马氏体型高温合金不锈耐热钢，一般用作热电厂汽轮机高温螺栓、叶片等高温部件，其性能特点是强度高，但是塑韧性较差，高温性能好。

1.2试验方法

本文的试验方法分别测试IN625、2Cr11Mo1Ni-WVNbN和1Cr11Co3W3NiMoVNbNB 3种材料的高温拉伸性能，得到3种材料不同温度下的屈强比，然后和3种材料对应的低周疲劳性能进行对比分析。

3种材料的高温拉伸过程都相同，测试温度范围为室温到600℃，每100℃一个测量点。试样直径为5 mm，每个测量点对2根试样进行试验，求得在不同温度下材料的屈强比，然后再取平均值，就得到了每种材料在不同试验温度下的屈强比。高温拉伸试验过程参照GB/T 4338-2006。

低周疲劳试验用MTS 810型低周疲劳试验机进行试验，试验过程采用应变控制，应变速率为0.006 s-1。试样直径为10 mm，每个应变量采用2个试样，然后取平均值求得平均寿命。带有环境温度的低周疲劳试验，用电炉加热，加热到目标温度后一般保温30 min。整个低周疲劳试验过程参照GB/ T 15248-2008。

2　试验结果

2.1 IN625不同温度下的材料屈强比与低周疲劳寿命

表2为不同应变量下室温、550℃、620℃3个温度点IN625的低周疲劳寿命和屈强比试验结果。由于概率分布的原因，一种应变幅条件下，材料的低周疲劳数据可能会比较分散，不容易看出变化规律，所以，本文比较了0.012、0.016、0.018和0.020 4个应变幅不同温度下的低周疲劳循环寿命。

表2　IN625不同温度下的低周疲劳寿命和屈强比

从表2中不同应变幅条件下的低周疲劳寿命可以看出，从室温到550℃，IN625的低周疲劳寿命是急剧下降的，约降低了一半；从550～620℃该材料的低周疲劳寿命变化比较缓慢。与此同时，随温度升高，IN625的屈强比也是不断下降的。总体而言，IN625低周疲劳循环周次与屈强比随温度升高的变化趋势是相同的，如图1所示。

图1　IN625不同应变范围条件下屈强比和低周疲劳循环周次的关系

表3为2Cr11Mo1NiWVNbN不同应变量条件下室温、400℃、500℃和600℃4个温度点的低周疲劳寿命。为了降低试验数据的偶然性，故取了0.012、0.016和0.020 3个应变范围。

表3　2Cr11Mo1NiWVNbN不同温度下的低周疲劳寿命

从表3中相同应变幅条件下不同温度的低周疲劳寿命数据可以发现，随着温度的升高，2Cr11Mo 1NiWVNbN的低周疲劳寿命变化不大，稳定中略有下降。该材料的屈强比随温度升高变化趋势不大，维持在0.90左右。

表4为1Cr11Co3W3NiMoVNbNB不同应变量条件下室温、400℃、500℃和600℃4个温度点的低周疲劳寿命。为了降低试验数据的偶然性，故取了0.010、0.012、0.016和0.018 4个应变范围。

表4　1Cr11Co3W3NiMoVNbNB不同温度下的低周疲劳寿命

1Cr11Co3W3NiMoVNbNB同为马氏体型不锈钢，其不同温度下的屈强比和低周疲劳寿命的变化趋势与2Cr11Mo1NiWVNbN类似，屈强比随温度升高变化不大，维持在0.94左右，与此同时，低周疲劳寿命随温度升高变化也不大，600℃时略有下降。

2.23种材料室温条件下屈强比和低周疲劳寿命的对比

IN625、2Cr11Mo1NiWVNbN和1Cr11Co3W3-NiMoVNbNB 3种材料室温条件下低周疲劳寿命和屈强比之间的对比如表5所示。

表5　室温条件下3种材料屈强比和低周疲劳寿命比较

由表5的试验数据可以发现，室温下IN625的屈强比远小于2Cr11Mo1NiWVNbN和1Cr11Co3W3-NiMoVNbNB的屈强比。同为马氏体型不锈钢，2Cr11Mo1NiWVNbN室温下的屈强比又比1Cr11Co-3W3NiMoVNbNB略低。与此同时，室温下IN625的低周疲劳寿命远高于两种马氏体型不锈钢，不同应变量条件下IN625的低周疲劳寿命是两种马氏体不锈钢的2～3倍，而2Cr11Mo1NiWVNbN的室温低周疲劳寿命也比1Cr11Co3W3NiMoVNbNB略高，将上述的屈强比和低周疲劳循环周次关系做图，即可得到如图2所示的变化趋势图。

图2　3种材料屈强比和低周疲劳循环周次之间的变化趋势

由图2中3种材料屈强比和低周疲劳循环周次之间的变化趋势可以发现，屈强比和低周疲劳周次的变化趋势是相反的，而且每个应变范围条件下的变化趋势基本都是呈线性的，只是斜率略有差别。

3　分析和讨论

3.1材料微观结构对屈强比和低周疲劳寿命的影响

IN625是一种固溶强化型的奥氏体高温合金，晶体结构为面心立方，有多达12个位错滑移系，位错运动较为容易［8］。微观上位错运动相对比较容易，反映到宏观上来看就是流变应力范围较小，如室温条件下应变范围同为1.2%，IN625的流变应力范围为1 129.47 MPa，而2Cr11Mo1NiWVNbN的流变应力范围为1 542.37 MPa，2Cr11Mo1NiWVNbN的流变应力范围比IN625的流变应力范围高出了约413 MPa。由于IN625的位错运动容易，反映到试样断口上，可以看到明显的疲劳条带，IN625的低周疲劳断口形貌如图3所示。

图3　IN625的低周疲劳断口形貌

2Cr11Mo1MiWVNbN和1Cr11Co3W3NiMoVNb-NB都是典型的马氏体型不锈钢，晶体结构复杂。奥氏体向马氏体的转变是一种无扩散性型相变，点阵畸变较大［8］，内部位错密度很高，马氏体板条之间是小角度晶界，位相差较小，因此，位错滑移在马氏体板条之间较难进行，显微裂纹也很难穿越板条马氏体束［9］，于是这些材料的屈服强度都很高。虽然经过变形后位错密度和点阵畸变还会升高，但是空间是有限的，低周疲劳过程中不断有位错产生和聚集，与此同时，微观缺陷也在不断地产生和聚集。由于位错运动困难，所以，在2Cr11Mo1Ni-WVNbN的低周疲劳断口上就看不到明显的疲劳条带，只有摩擦的痕迹（如图4所示）。

图4　2Cr11Mo1NiWVNbN的低周疲劳断口形貌

结合上面所述的IN625和两种马氏体型不锈钢的情况，可以认为：屈强比较低的材料一般都晶体结构简单，位错运动相对容易，有较强的加工硬化能力；而屈强比高的材料一般晶体结构复杂，位错强化、固溶强化、晶界强化、沉淀强化等强化机理［10］作用明显，位错运动困难。低周疲劳过程中材料受到的应力很大，位错会不断产生。如果位错运动阻力很大，位错就会不断聚集，同时晶体缺陷也不断聚集，很快材料就会发生破坏，因此，材料的屈强比与低周疲劳寿命有相反的变化趋势这一规律对于很多工程材料应该都是成立的。

3.2温度对3种材料屈强比和低周疲劳循环寿命的影响

相对于室温下屈强比和低周疲劳寿命之间简单相反的变化规律，高温下3种材料的低周疲劳循环寿命和屈强比之间的关系显得比较复杂。

由图2和表1的变化趋势可知：随温度升高，IN625的屈强比不断下降，与此同时，其低周疲劳循环周次也不断降低，有着相同的变化趋势。作为固溶强化型的高温合金，时效处理后析出的强化相粒子较小，对位错的阻碍作用不是很明显，特别是高温条件下该材料的位错运动方式发生了转变［11-12］，高温时在热激活能的作用下位错运动变得更加容易，使得IN625随温度升高其低周疲劳寿命迅速降低。

而马氏体型不锈钢2Cr11Mo1NiWVNbN和1Cr-11Co3W3NiMoVNbNB随温度升高其屈强比的变化都不大，与此同时其低周疲劳循环寿命也变化不大，略有降低，只是到600℃以后才真正有了一定幅度的降低，这应该与前面提到的马氏体型不锈钢的位错运动困难有关，即使温度提高，材料获得的热激活能仍然不能使得位错快速移动，可能直到600℃以后位错运动才容易些。文献［11］认为，随温度的升高，材料的强度降低对其低周疲劳循环寿命有很大的影响，相同总应变量条件下，由于强度降低，所以弹性应变范围必然会减小，从而使得塑性应变范围增加，塑性应变范围增加使得材料的微观损伤可能性增加，所以，2Cr11Mo1NiWVNbN和1Cr11Co3W3NiMoVNbNB随温度升高低周疲劳寿命降低，应该也与其强度降低有一定关系。

值得注意的是，室温条件2Cr11Mo1NiWVNbN比1Cr11Co3W3NiMoVNbNB的屈强比低，Cr11Mo-1NiWVNbN的低周疲劳循环寿命也比1Cr11Co3W-3NiMoVNbNB略高，符合屈强比与低周疲劳的相反关系，但是高温条件下情况就有所不同了，高温下这两种材料的屈强比和低周疲劳循环寿命之间的关系比较如表6所示。

表6600　℃条件下两种马氏体型不锈钢的屈强比和低周疲劳寿命比较

如表6所示，600℃条件下2Cr11Mo1NiWVN-bN的屈强比低于1Cr11Co3W3NiMoVNbNB，按照屈强比与低周循环寿命变化趋势相反的规律似乎可以认为，2Cr11Mo1NiWVNbN的低周疲劳寿命应该比1Cr11Co3W3NiMoVNbNB的低周疲劳寿命长，但是实际情况是应变范围为0.012和0.016时，1Cr11Co3W3NiMoVNbNB的低周疲劳寿命反而比2Cr11Mo1NiWVNbN略长。

这种情况的出现应该与环境温度有关，两种材料同为马氏体型不锈钢，在应变范围相同的情况下，室温时2Cr11Mo1NiWVNbN比1Cr11Co3W3Ni-MoVNbNB的低周疲劳寿命长，而在600℃时却出现了相反的情况，该现象的出现可能与两种材料的合金元素差别有关。1Cr11Co3W3NiMoVNbNB的合金元素构成与2Cr11Mo1NiWVNbN类似，但是也有差别，1Cr11Co3W3NiMoVNbNB相对于2Cr11Mo1Ni-WVNbN的合金元素构成，虽然Mo含量稍有降低，但是W含量却大幅增加，且多了后者没有的Co元素和B元素，这些元素的增加提高了前者的热强性，特别是回火后，前者析出的碳化物应该比后者更多，这些碳化物的出现都可以阻碍材料位错的移动，从而提高了1Cr11Co3W3NiMoVNbNB的高温抗低周疲劳能力。

可见，虽然从整体上来说屈强比和材料低周疲劳循环寿命有相反的变化趋势，但是这个结论的得出应该是有前提的：首先，应该是环境条件相同，特别是有相同的温度，最好都在室温条件下；其次，温度对各种材料的位错运动影响程度不同，使得在高温条件下，可能有不符本规律的情况出现；最后，本规律只能定性反映屈强比和低周疲劳循环寿命的关系。

4　总结

本文通过大量试验数据，比较了固溶强化型奥氏体高温合金IN625和马氏体型不锈钢2Cr11Mo1Ni-WVNbN、1Cr11Co3W3NiMoVNbNB 3种材料屈强比和材料低周疲劳寿命之间的关系，发现屈强比与低周疲劳寿命之间大概有相反的变化趋势，通过理论分析，本文进一步认为对于一般结构材料这种趋势应该也是能够成立的。但是受环境温度的影响，材料在高温条件下屈强比和低周疲劳寿命的关系还受合金元素成分、微观结构等因素影响。

合理的材料屈强比对材料服役安全性非常重要，一般认为屈强比在0.80～0.85范围内有较好的综合力学性能。如果屈强比较低，一般材料的屈服强度也较低，抵抗变形的能力也较差；反之，如果屈强比过高，载荷超过屈服强度，材料可能快速断裂，因形变硬化引起的安全余量也较低。同时，屈强比过高的材料一般强度也非常高，其韧性较低，抵抗疲劳裂纹扩展的能力较弱，低周疲劳性能差，缺口敏感度较高。

总之，结构材料的屈强比与其低周疲劳寿命密切相关，屈强比需要保持在合理的区间内。

5　展望

本文主要针对典型的固溶强化型奥氏体高温合金IN625和马氏体型不锈钢2Cr11Mo1NiWVNbN、1Cr11Co3W3NiMoVNbNB进行了分析比较，提出了屈强比和低周疲劳寿命变化趋势相反的观点。然而，固溶强化型高温合金的屈强比一般较低，而马氏体型不锈钢的屈强比一般较高，所以，屈强比和低周疲劳寿命之间反相的变化趋势比较明显，不排除其他材料有不符合本文提出规律的情况，该规律的进一步验证和发展，还需要未来对更多的工程材料进行分析验证。

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Brief Discussion of Relationship between Material’s Yield Ratio and Low Cycle Fatigue Life

Long Laohu，Zhang Bo，Zhang Bangqiang，Yang Ming
（State Key Laboratory of Long-life High Temperature Materials，Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

By analyzing their high temperature tensile performance and low cycle fatigue life at different temperature，it is found that IN625，2Cr11Mo1NiWVNbN and 1Cr11Co3W3NiMoVNbNB’s yield ratios are inversely correlated with their low cycle fatigue lifes at room temperature，and this variation trend is also applied to other structure materials by theoretical analysis.

yield ratio，low cycle fatigue，life

TK265

B

1674-9987（2016）03-0050-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.03.012

龙老虎（1984-），男，2011年毕业于西安交通大学材料科学与工程学院，现主要从事材料疲劳断裂的实验、分析和研究工作。