1 mm厚304L不锈钢冷轧板的低周疲劳性能分析

罗少强， 舒林森， 王 波， 王家胜

(陕西理工大学 机械工程学院， 陕西 汉中 723000)

304L奥氏体不锈钢(00Cr19Ni10)具有良好的耐热性、耐腐蚀性、焊接性和机械性能[1-2]等，被广泛应用于汽车配件、船舶部件、食品工业、农业机械和医疗器械等领域。304L不锈钢零件受动静载荷幅扰动作用，容易产生疲劳失效。因此，研究304L不锈钢的疲劳性能并预测其疲劳寿命就非常重要。

目前，国内外学者对304不锈钢材料的疲劳性能已展开相关研究。CHOU L H等[3]试验验证了预循环损伤历程对SUS304不锈钢疲劳性能的影响。TASDIGHI E等[4]研究了小冲孔试验在304不锈钢轴向疲劳寿命预测中的应用，同时提出了一种基于SPT的评估剩余疲劳寿命方法。ERINOSHO T O等[5]基于机械疲劳模型(MFM)研究计算了压力、温度、管壁厚度和停滞时间对304不锈钢疲劳寿命的影响。LESIUK G等[6]研究了高密度电脉冲对304不锈钢疲劳寿命的影响。张真源等[7]采用超声疲劳试验技术研究了304不锈钢的超高周疲劳性能，研究表明304不锈钢的S-N曲线呈现阶梯下降趋势。刘俭辉等[8]研究了304不锈钢低周疲劳断裂特性，得到其低周拟合S-N曲线表达式。姜公锋等[9]对室温下3种不同程度预应变强化的304不锈钢进行了低周疲劳寿命预测，认为采用预应变强化疲劳寿命设计曲线的评估方法可以有效提高疲劳寿命。肖智杰等[10]分析了304不锈钢点焊和胶焊的疲劳强度，获得了两种接头不同应力水平下的疲劳特性和S-N曲线。已有文献主要研究的是304不锈钢的疲劳性能及其影响因素，对于304L不锈钢疲劳性能研究却很少，缺乏1 mm厚304L不锈钢基础性疲劳数据，所以研究1 mm厚304L不锈钢冷轧板的低周疲劳性能就具有重要意义。

鉴于此，本文以1 mm厚304L奥氏体不锈钢冷轧板为研究对象，对其光滑试件进行单向静拉伸试验和不同应力水平控制下的低周疲劳试验。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料为1 mm 304L不锈钢冷轧板板材，热处理状态为固溶1030 ℃快冷，屈服强度σ0.2为177 MPa，抗拉强度σb为480 MPa，伸长率δ5为40%，断面收缩率φ为60%，维氏硬度不大于200 HV，弹性模量E为195 GPa，其主要化学成分如表1所示。

表1 304L不锈钢主要化学成分

根据国标《GB/T228—2002拉伸试验板状试样形状和尺寸标准》，选取比例系数k为11.3，标距L0为40 mm，过渡半径R为36.25 mm；光滑试样采用型号为DK7732TM宝时格精密中走丝线切割机床制备，对走丝表面进行机械打磨，以满足光滑试件的表面粗糙度要求(Ra为3.2)。304L不锈钢光滑试样的形状和尺寸如图1所示。

图1 光滑试样的形状和尺寸

1.2 试验方法

基于国标《GB/T228—2002金属材料室温拉伸试验方法》，采用型号为WAW-300微机控制电液伺服万能试验机对光滑试件进行室温下单向静拉伸试验，平均加载速度为10.8 kN/s，平均位移速度为5 mm/min，共进行3组试验并取其平均值；基于国标《GB/T15248—2008金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》，采用型号为PLN-200电液伺服疲劳万能试验机对光滑试件在负荷控制下进行应力比为0的低周疲劳试验，选择正弦波形，频率为15 Hz，最小载荷为0 kN，最大载荷分别为4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0 kN，以光滑试件疲劳断裂失效为判断依据记录最大循环次数，试验参数及结果见表2。

表2 试验参数及结果

图2 光滑试样的载荷-位移(P-L)曲线

图3 应力-寿命(S-N)曲线

2 试验结果及讨论

2.1 拉伸性能

图2为3组304L不锈钢光滑试件单向静拉伸试验的载荷-位移(P-L)曲线，得到光滑试件的屈服强度和抗拉强度的平均值分别约为400 MPa和912.5 MPa，分别为材料本身屈服强度和抗拉强度的2.25倍和1.90倍。图中可见，P-L曲线中并没有产生明显的屈服过渡，而是呈现出连续屈服现象；3组304L不锈钢光滑试件的单向静拉伸试验，均发现产生了一定程度的颈缩现象，这说明304L不锈钢冷轧板比普通304不锈钢的塑性好。

2.2 疲劳性能

2.2.1 应力-寿命(S-N)曲线分析

由表2可知，随着加载应力水平的逐渐增加，304L不锈钢光滑试件的疲劳循环周次逐渐降低，疲劳寿命持续衰减。基于不同应力水平控制下的低周疲劳试验参数以及疲劳循环周次试验数据，根据文献[11-12]的拟合方法，对其最大应力和疲劳寿命离散点进行拟合得到S-N曲线，如图3所示。

根据疲劳寿命离散点的分布规律，最大应力与疲劳寿命之间呈现非线性反比例关系，宜采用幂函数来进行曲线拟合，其中：疲劳寿命Nf为自变量，最大应力σmax为因变量。通过该材料的S-N拟合曲线，得到光滑试件最大应力σmax与疲劳寿命Nf之间的关系为

σmax=1 793.093 1(Nf)-0.119 33。

(1)

去掉无限寿命离散点后，拟合结果有4个疲劳离散点落在拟合S-N曲线上，3个疲劳离散点有所偏离但偏距较小。由此可知，拟合结果能够较好的反映304L不锈钢冷轧板在不同应力水平下的低周疲劳特性。

2.2.2 迟滞回线特性分析

图4为不同应力水平下循环应力-应变关系特性。图4(a)为疲劳应力幅在低于材料疲劳极限时的应力-应变关系，应力范围Δσ在0～350 MPa的总应变是以线弹性应变为主，由于材料本身的记忆特性，在循环周次逐渐增加的同时，循环应力-应变曲线变化规律一致，并逐渐向右移动，在此阶段内光滑试件发生疲劳失效的概率较低，呈现出无限疲劳寿命；图4(b)为塑性应变起主导作用的循环应力-应变关系，应力范围Δσ在0～600 MPa之间，疲劳圈数范围为300～8000圈，随着疲劳循环周次的逐渐增加，应变量Δε由最初0.230 38%逐渐过渡减小至0.203 75%并趋于稳定，其应变幅度为0.026 63%，呈现出应力控制下应变幅先减小后稳定的循环硬化现象。

(a)线弹性应变为主 (b)塑性应变为主图4 迟滞回线特性曲线

3 疲劳寿命预测

3.1 基于Basquin公式寿命预测

著名的Basquin公式[13]认为，在进行恒应力幅疲劳试验的过程中，其应力幅值与发生破坏的载荷循环周次之间存在关系，即就是Basquin表达式：

σa=σf′(2Nf)b，

(2)

式中σa为应力幅，σf′为疲劳强度系数，Nf为在恒幅载荷疲劳断裂时的循环周次，b为疲劳强度指数。

同时，采用四点关联法[12]来确定公式(2)中疲劳强度指数b，其中

(3)

式中σb为材料静拉伸试验的抗拉强度，σf为真断裂强度，两者之间的关系为

σf=σb+350 MPa[14]，

(4)

为了方便计算，一般认为σf′≈σf。同时，计算得到b为-0.106，σf值为1 262.5 MPa。

3.2 基于Manson-Coffin公式寿命预测

传统的Manson-Coffin公式[15]表达式为

(5)

式中εf′为疲劳延续系数，c为疲劳延续指数。

为了进一步提高寿命预测精度，对Manson-Coffin公式进行平均应力修正，采用Morrow弹性应力线性修正法进行修正：

(6)

式中σm为平均应力。

εa采用单轴循环应力-应变曲线表达式来计算，其表达式为

(7)

式中E为弹性模量，K′为循环强度系数，n′为循环应变硬化指数。

根据迭代法得出疲劳寿命预测公式：

(8)

Manson总结的通用斜率法[15]认为b取值-0.12，c取值-0.6。真断裂延性εf计算公式为

(9)

式中A0为试样初始截面积,A为试样瞬时截面积,φ为试件断面收缩率。

拟合计算得到：n′=0.2，K′=1 340.14 MPa，εf′≈εf=0.742。不同应力水平下的总应变εa如表3所示。

表3 不同应力水平下的总应变εa

基于Basquin公式和Manson-Coffin修正公式的疲劳寿命预测结果如图5所示，两种方法的预测结果大部分都落在2倍分散带内，少数接近材料抗拉强度应力幅的疲劳离散点偏离2倍分散带较大，总体寿命预测结果较好。与Manson-Coffin修正公式预测结果相比，Basquin公式对于低周疲劳的寿命预测效果较好，如应力范围在0～500 MPa，其寿命预测结果值为45 356次，试验值为43 090次，二者相差5.258%，基本与试验结果一致；而修正的Manson-Coffin公式预测结果值为19 702次，与试验结果相差较大，预测低周疲劳寿命精度不足，这是因为结果计算时会产生一些无效塑性应变点。

图5 低周疲劳寿命预测结果

4 结 论

本研究对304L不锈钢冷轧板的光滑试件进行了单向静拉伸试验和不同应力水平控制下的低周疲劳试验，分析了304L不锈钢疲劳行为特性，并基于Basquin公式和Manson-Coffin修正公式对其进行疲劳寿命预测，得出结论如下：

(1)拉伸试验结果反映了304L不锈钢冷轧板光滑试样的屈服强度和抗拉强度分别约为400 MPa和912.5 MPa，均达到了材料本身强度的1.90倍以上；载荷-位移(P-L)曲线呈现出连续过渡，3组拉伸试验中断裂前产生了颈缩，反映了该材料具有良好的塑性。

(2)低周疲劳试验结果表明，304L不锈钢在低于疲劳极限下的寿命具有无限疲劳寿命特点，但在高于疲劳极限下试件的疲劳循环周次随着加载应力水平的增加而降低。

(3)Basquin公式和Manson-Coffin修正公式预测的304L不锈钢冷轧板低周疲劳寿命次数，基本分布在2倍分散带内，但Basquin公式预测结果要好于Manson-Coffin修正公式。