316L奥氏体不锈钢疲劳特性分析

郭超越  ,孙梦莹 ,刘壮 ,李卓群

沈阳化工大学 机械与动力工程学院  辽宁沈阳  110142

摘要：本文针对316L奥氏体不锈钢的疲劳特性进行分析，总结了材料棘轮效应在不同应力幅、不同平均应力、不同加载历史下的变化规律，结果表明，随着平均应力和应力幅的升高，材料的初始棘轮应变累积水平快速升高。分析材料循环特性的幅值依赖特性、温度相关特性、加载历史特性。各研究表明，材料的循环硬化程度随应变幅值的升高而升高，循环软化程度则呈减小趋势，温度的升高会降低材料的峰值应力水平。

关键词：316L不锈钢；棘轮效应；循环特性；疲劳断裂；

GUO Chaoyue, SUN Mengying, LIU Zhuang, LI Zhuoqun,

(Shenyang University of Chemical Technology,School of Mechanical and Power Engineering, 110142 Shenyang, China)

Abstract: This paper analyzes the fatigue characteristics of 316L austenitic stainless steel, summarizes the variation of the ratchet effect under different stress amplitudes, different average stresses and different loading history, and shows that the initial ratchet strain accumulation level of the material increases rapidly with the increase of average stress and stress amplitude. Analyze the amplitude-dependent characteristics, temperature-dependent characteristics, and loading history characteristics of material cycling properties. The results show that the degree of cyclic hardening of the material increases with the increase of the strain amplitude, the degree of cyclic softening tends to decrease, and the increase of temperature will reduce the peak stress level of the material.

Keywords: 316L stainless steel; ratchet effect; cycling characteristics; fatigue fracture;

0 引言

316L不锈钢是典型的奥氏体不锈钢，因其具有良好的韧性、塑性、焊接性以及耐腐蚀性能等，广泛应用于化工、石油、核电等领域中的设备中[1]。其工作过程中通常承受高应力循环载荷的作用，低周疲劳断裂成为其主要失效方式[2]。

近年来，针对316L不锈钢的低周疲劳特性进行了大量研究，包括应力控制的棘轮行为和应变控制的循环特性，对于应力控制的非对称循环载荷疲劳，主要关注应力幅、平均应力、载荷历史等因素对棘轮效应的影响。对于应变控制的对称循环载荷疲劳，主要研究应变幅值、应变率、载荷历史、温度等因素对循环特性和疲劳寿命的影响。

1 316L不锈钢棘轮效应

棘轮行为是指在非对称循环载荷作用下，塑性应变在平均应力方向产生累积的现象。棘轮行为通常有三种情况，一是棘轮应变率随循环周次逐渐减小，最终表现为棘轮安定的状况，二是在循环初期棘轮应变快速累积随后保持恒定棘轮应变率的棘轮效应状态，三是出现第三阶段棘轮应变率突增的棘轮加速现象。棘轮效应会严重影响金属构件的寿命及设备的安全，近年来，国内外学者针对棘轮效应的研究做了大量工作。

陈小辉[3]等对316L不锈钢进行了恒定应力幅，平均应力分别为的单轴棘轮实验，实验结果表明，平均应力的升高，初始阶段的棘轮应变水平和第二阶段的棘轮应变率均呈明显的增长趋势。Xing[4]等为研究温度对316L不锈钢棘轮行为的影响，在20℃、350℃和550℃温度条件下对材料进行恒定应力幅，恒定平均应力的单轴棘轮实验，结果表明，高温条件下，受动态应变时效的影响，316L不锈钢在第二阶段更容易进入安定状态。菀旭阳[5]等对316L不锈钢进行了20℃和350℃条件下不同应变幅值的低周疲劳实验，分析了温度对材料应力响应的影响，发现材料的峰值应力水平随温度的升高而明显降低，此外，温度的升高也会降低材料的疲劳寿命。Zhou

[6]等对316L不锈钢进行了不同应变幅值的应变控制低周疲劳实验，分析了应变幅值对材料循环硬化和循环软化现象的影响，发现，在不同应变幅值下，材料均表现出明显的循环硬化现象，在小应变幅值范围内，材料第二阶段表现出循环软化现象。

2 316L不锈钢循环特性

循环特性是指材料在应变控制循环载荷作用下材料表现的应力水平随循环周次变化的关系，通常有循环硬化、循环软化和循环稳定三种状态，循环硬化是指材料的应力响应随循环周次的增加而增加的现象，循环软化的变化趋势则与之相反，循环稳定则是循环硬化或软化达到饱和材料的应力水平保持恒定的现象。循环硬化或软化均会使材料的应力场重新分布，其势必会影响设备工作的稳定性，针对循环特性的研究也引起国内外学者的高度关注。

Pham等[7]针对316L不锈钢进行了室温条件下，应变幅值为±0.25%、±0.4%、±0.7%，应变率的应变控制疲劳试验。实验结果表明，316L奥氏体不锈钢峰值应力演化曲线呈现为三个阶段：在初始阶段，位错快速累积致使材料呈现快速的循环硬化，在第二阶段，次位移的激活致使位错结构重新排列并形成位错壁和位错通道，从而宏观表现为循环软化现象，进一步加载，导致位错壁演变为胞状位错，而位错壁结构也因为次位移在其之间产生更多的链接演化为位错迷宫，胞状位错和位错迷宫限制位错的移动从而逐渐降低了由于位错通道引起的软化从而呈现循环稳定的状态，在第三阶段，由于塑性应变的累积致使材料产生裂纹，其峰值应力快速降低。Goyal等[8]对316L不锈钢进行了室温和高温不同应变幅值的低周疲劳试验，发现无论是室温还是高温条件下，材料总是经历初始的循环硬化后进入循环软化阶段而后达到循环稳定状态直至断裂，高应变幅值下初始的循环硬化特性更为显著，而后续的软化现象则较弱；相同应变幅值下，高温下的初始循环硬化现象更为显著。Hong[9]等对316L不锈钢在20℃-600℃温度范围内进行不同应变率的应变控制低周疲劳实验，研究材料循环软化的率相关和温度相关特性，结果表明，当温度小于250℃时，循环软化程度随温度的增加而增加，温度大于250℃时，随温度的升高而降低，应变率与软化程度的关系也随温度而变化，在250–550℃时，软化程度随着应变速率的降低而降低，但在600℃以上再次增加。Mazánová[10]等针对316L不锈钢低周疲劳特性的路径相关性进行研究，基于室温条件相同等效应变幅值下不同路径低周疲劳实验，分析了材料的循环硬化程度与载荷路径的关系，发现单轴拉伸和扭转载荷条件下，材料表现出微弱的循环硬化现象，在拉扭复合载荷控制条件下，材料的循环硬化程度明显高于单轴载荷条件下的情况，即在拉扭多轴载荷条件下，316L不锈钢表现出明显的附加强化现象。Xie [11]等为了研究加载历史对316L不锈钢循环特性的影响，进行了恒定应变幅值±0.6%但应变速率从1×10-3s-增大到5×10-3s-后再返回1×10-3s-的多重加载实验，实验结果表明，应变速率1×10-3s-下材料经过快速的循环硬化并达到饱和，当应变率增大到5×10-3s-时，产生额外的循环硬化，饱和值与恒定应变率5×10-3s-下的值几乎相同，当应变率恢复到1×10-3s-时，因为第二阶段的硬化，峰值应力没有恢复到先前的水平。

3结论

本文针对316L奥氏体不锈钢的疲劳特性进行分析，总结了材料棘轮效应在不同应力幅、不同平均应力、不同加载历史下的变化规律，结果表明，随着平均应力和应力幅的升高，材料的初始棘轮应变累积水平快速升高。分析材料循环特性的幅值依赖特性、温度相关特性、加载历史特性。各研究表明，材料的循环硬化程度随应变幅值的升高而升高，循环软化程度则呈减小趋势，温度的升高会降低材料的峰值应力水平。

参考文献

[1]李奇聪,司俊,金鑫等.316L不锈钢低温力学性能研究与寿命预测[J].热加工工艺,2023,52(04):27-31.DOI:10.14158/j.cnki.1001-3814.20220076.

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[3]陈小辉,周杨,刘明月等.基于A-V模型的改进模型及单轴棘轮效应预测[J].东北大学学报(自然科学版),2021,42(01):83-90.

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