316L不锈钢光滑和缺n件疲劳特性分析

引言

在实际工程结构中,不可避免地存在诸如键槽和螺纹孔之类的缺陷,应力集中和疲劳裂纹的萌生正是这类缺口缺陷所引起,缺口部件疲劳问题的研究已受到世界各国学者越来越多的关注。Roy等通过在常温下对316L不锈钢进行单轴低周疲劳试验和微观分析,发现在循环初期该材料表现为循环硬化,并且位错密度的增加是导致此种现象的主要原因,同时温度变化对材料的低周疲劳性能有很大影响。Pham等对316L在单轴情况下随着循环数的变化,微观结构在循环硬化、循环软化及应力饱和阶段时的变化进行了分析研究。Parvathavarthini等对含氮量不同的316L不锈钢在快中子增殖反应堆高温结构材料中的应用进行了回顾,分析了C和N元素对感光动力的显著影响,并对4种不同含氮量316L的感光行为进行了研究。冯刚等对该材料缺口试样进行了一系列疲劳裂纹扩展试验,讨论了裂纹扩展速率与应力比的关系。以上针对316L的疲劳研究工作均针对光滑件展开,针对光滑和缺口件的比较研究较少,故本文将就此展开研究。

1试验方法

试验材料主要采用光滑件和双边对称的半圆形缺口件,具体试件的形状及几何尺寸如图1、图2所示,板厚为1mm。对光滑和缺口件分别以0.006kN/s的加载速度进行室温拉伸试验,取三组并取平均值。然后,在相同条件下以应力控制方式对光滑和缺口件进行拉一拉疲劳实验。波形为三角波,周期5s,最小载荷设定为0,通过改变最大载荷来获得不同的载荷范围进行试验,并以两试件的断裂作为疲劳失效依据。

2试验结果分析

2.1光滑和缺口件的拉伸应力—应变分析

通过对光滑和缺口件进行疲劳试验,得到两试件的拉伸应力一应变曲线如图3所示。光滑和缺口件的拉伸应力一应变曲线在试验起初阶段基本相似,而在应力增大到250MPa左右时,缺口件的拉伸变形要明显小于标准拉伸件:并且在应力增大到250MPa左右时,其双边对称半圆形缺口处的应力值增加速度开始加快,应力集中现象开始比较明显。根据试验数据,计算出光滑件的屈服强度和抗拉强度值分别为r0.2=320MPa,rb=585MPa,而缺口件的屈服强度和抗拉强度值分别为r0.2=360MPa,rb=632MPa。可见缺口件的屈服强度和抗拉强度均高于光滑件,这主要是由于受缺口效应的影响,双边对称半圆形缺口试样出现了缺口强化。在拉伸曲线后期,试样表现出随着应变增加、应力下降,在拉伸后期两试样均出现了颈缩现象,表明该材料具有良好的塑性。

2.2试件断口破坏照片分析

在拉伸试验中,通过观察图4可知,光滑件试样的破坏变形程度明显大于缺口件,并且光滑件的断口发生在标距段处,而缺口件的断口位于最小截面处,但光滑和缺口件的断口形式相同,均是垂直平齐的。

图5和图6分别给出了光滑和缺口件在不同应力水平下拉一拉疲劳试验断口破坏照片。观察破坏试样的断口可以看出,在不同的应力作用下,光滑件均是从标距段处断裂,而缺口件均是从最小截面处发生破坏。这主要是由于缺口件受到应力集中因素的影响,在负载达到临界载荷时,首先在其最窄横截面上产生裂纹,并且迅速扩展贯穿整个试样的横截面,从而导致试样断裂破坏。但无论是光滑件还是缺口件,在拉一拉疲劳试验中其破坏断口均是垂直平齐的。

3结论

(1)316L不锈钢在拉伸时没有出现明显的屈服平台,缺口件的拉伸变形小于标准拉伸件:同时,缺口件的屈服强度和抗拉强度均比光滑件高,该材料具有良好的塑性。

(2)无论是拉伸试验还是应力控制的拉一拉疲劳试验,光滑和缺口件的破坏形式均为垂直断口:光滑件的断口均出现在标距段处,而对称的半圆形缺口件的断口则均出现在最小截面处。