316L不锈钢表面纳米化的疲劳性能分析

2013-08-23 09:41郑慧娟钟蜀晖

科学之友 2013年8期

郑慧娟，钟蜀晖

（贵州大学土木建筑工程学院，贵州贵阳 550025）

316L不锈钢为应用广泛的奥氏体不锈钢之一，其优良的材料性能被用于建筑材料、石油、化工、原子能、海洋环境等各个工业领域。随着其性能的不断优化，未来将会有更广泛的应用空间。由于工程材料的失效大多源于其表面，因此很多工程上如若改善材料的表面性能就可以改善材料的综合性能和使用寿命，提高材料的利用率。随着金属材料表面技术的发展，早在1999年前KLu和JLu提出了金属材料表面纳米化。该技术通过机械处理使材料表面获得一层纳米晶粒，从而改变金属材料抗疲劳、耐磨、耐蚀等性能.同时可有效提高金属材料的力学性能和寿命，降低工程成本，减少事故的发生。因此，研究金属材料的疲劳具有十分重要的工程意义。

本文采用高速旋转丝刷，对316L不锈钢进行表面纳米化处理，通过KYKY2800B型扫描电镜对材料纳米化前和纳米化后的疲劳形貌进行观察并分析其疲劳产生的原因。

1 材料的尺寸及性能

根据疲劳试验对试样的要求以及考虑到充分提高材料的利用率，更加符合应力情况的变化规律，使试样在中间处断裂，尽量将实验做到效果最好。综合考虑以上因素，本文选取316L不锈钢尺寸见图1，其化学成分见表1。

表1 316L不锈钢化学成分

2 扫描电镜的分析

本试样利用电液伺服疲劳试验机CSS－280H－100分别对316L不锈钢试样高速旋转丝变形表面纳米化前后进行疲劳试验。试验机量程为100 kN，载荷精度为0.2%，试验温度为室温。试验采用力控制操作，拉压对称循环（应力比 R＝－1），试验频率设置为10 Hz，激励波形选择正弦波，加载时设置均布应力为221.5 MPa。最终试样在中间处断裂即应力集中的地方断裂，因此避免应力集中能有效的提高试样的寿命。

电镜分析是金属材料分析疲劳失效的常用方法之一，通过扫描电镜可以有效地分析金属材料端口的形貌。一般情况，在扫描电镜下可以清楚的看到断口分为三个典型区域：裂纹的起源区、扩展区以及瞬断区。本文主要通过扫描电镜分析 316L不锈钢裂纹形成的原因和影响其疲劳的因素。

2.1 断口起源区的形貌分析

将试样放在KYKY2800B型扫描电镜下，分别将倍数调至600倍以及1200倍观察材料纳米化前后的裂纹起源区分布，其结果见图2、图3。

图2 表面纳米化前起源区

图2 所示的A区是表面纳米化之前的裂纹的疲劳源，图3所示的C区是表面纳米化之后的裂纹的疲劳源。从图2可以看出疲劳裂纹从试样表面开始萌生，然后向前缓慢的扩展。疲劳源区较为光亮，呈椭圆形。从图3可以看出试样表面纳米化后出现一层较薄的纳米层，厚约2 um，厚度不均匀。C区为裂纹源区，纳米层晶粒细小、致密、强度较高，裂纹从纳米层的下方即过渡层开始，随后开始扩展、延伸。由于纳米层的厚度不均匀，裂纹从纳米层比较薄弱的地方开始萌生，扩展。综上分析可知金属材料表面纳米化之后其表面强度将会得到显著提高，裂纹一般从纳米层比较薄弱的地方开始萌生，因此只要提高纳米层的厚度和均匀度就可以有效提高金属材料的寿命。

2.2 断口扩展区的形貌分析

将试样放在KYKY2800B型扫描电镜下，分别将倍数调至600倍以及400倍观察材料纳米化前后的裂纹扩展区分布，其结果见图4、图5。

扩展区在裂纹的起源区和瞬断区之间，从图4可以看出断口上大部分的疲劳条带呈连续性，个别地方的疲劳条带断续分布。随着裂纹的向前扩展，条带变得越来越宽，表明裂纹越来越大，越来越趋于瞬断区。从图5可以看出表面纳米化后材料的疲劳条带没有表面纳米化前的疲劳条带明显，由此可看出在同等条件加载的情况下，表面纳米化之后的材料抗拉要高，即材料的抗拉强度越高，越不易形成疲劳条带。