不同应力比下沉淀硬化不锈钢的超高周疲劳断裂机制

Custom450沉淀硬化型不锈钢是最近新开发的一种叶片钢，具有高强度、高韧性，以及优良的耐腐蚀性能；其强化机制主要为富铜相的时效强化和钼、铌元素的沉淀强化。目前对于Custom450不锈钢的超高周疲劳性能尤其是在模拟工况环境下的超高周疲劳性能及疲劳断裂机制研究还未见报道。为此，有人根据汽轮机低压叶片的实际工作环境，在100℃含氧量小于1mg•L-1的饱和蒸汽环境下对Custom450不锈钢进行了不同应力比的超高周疲劳试验，得到了相应的超高周疲劳S-N曲线，分析了其疲劳特征，观察了超高周疲劳断口并分析了不同应力比下的超高周疲劳断裂机制。

试验钢为Custom450不锈钢，化学成分（质量分数，%）为C0.029，S0.001，Si0.43，Mn0.46，P0.017，Cr14.47，Ni6.29，Pb0.003，Sn0.002，Nb0.37，N0.014，Mo0.88，Cu1.46，V0.069，Al0.017。按照GB/T3075-2008和ASTME466-07，在试验钢上车削加工出疲劳试样，轴向抛光使其表面粗糙度Ra小于0.2μm。为去除机加工所造成的表面残余压应力，在疲劳试验前将试样置于真空炉中进行450℃保温3h，然后以50℃•h-1冷却至150℃后随炉空冷的退火处理。

用光学显微镜观察热处理后试样相邻三个面的显微组织，发现三个面的显微组织相似、板条马氏体宽度相近，可以认为该不锈钢各向同性。采用氮气除氧及真空除氧相结合的方法使超纯水中氧含量小于1mg•L-1，然后利用蒸汽发生器产生100℃的饱和水蒸气；在该饱和水蒸气中，利用PLG-100C型高频疲劳试验机对试样进行轴向等幅力控制的疲劳试验，载荷波形为正弦波，频率为120Hz，应力比R分别为-1、-0.6、0.1。试验完后，利用扫描电子显微镜观察试样的疲劳断口形貌，并用能谱仪分析其断口微区的化学成分。结果表明：

（1）在应力比为-1，-0.6，0.1进行疲劳试验时，Custom450不锈钢的S-N曲线没有出现水平段，始终保持下降的变化趋势；在107周次之后出现明显拐点，该钢的超高周疲劳寿命显著下降。

（2）Custom450不锈钢超高周疲劳试样断口有三种起裂模式，裂纹源分别位于表面加工缺陷处、内部夹杂物处和内部结构不连续处。

（3）在应力比为-1下进行疲劳试验时，随着应力幅的降低，试样更倾向于从内部起裂；不同应力比下三种起裂模式发生的数量和概率不同，随着应力比的提高，表面起裂的概率增大，内部起裂的概率降低。