研究背景
316H不锈钢由于其优异的高温力学性能，广泛应用于核电站、化工厂等高温高压环境。在这些极端条件下，材料的疲劳性能对设备的安全至关重要。Masing特性作为一种重要的循环塑性行为，决定了材料在循环载荷下的应力-应变响应，对其疲劳寿命的预测至关重要。然而，目前关于316H不锈钢在高温下的Masing行为研究尚不充分，缺乏对其循环变形行为和损伤机制的深入理解。Masing特性是金属材料在循环加载下的一种现象：将不同应变幅度下的滞后回线平移，使最低点重合后，如果能够完全重叠，则该材料表现出Masing特性。Masing特性反映了材料微观结构在循环加载下的稳定性。如果位错结构在疲劳过程中保持稳定，则材料通常表现出Masing行为；反之，则为非Masing特性。研究方法
天津大学的李兵兵和陈旭教授等人采用了一系列实验和分析手段，对316H不锈钢在650 °C高温下的低周疲劳行为进行了系统研究。- 首先，进行了一系列应变控制的低周疲劳试验，以获取不同应变幅度下的循环应力-应变响应曲线。
- 然后，利用电子背散射衍射（EBSD）技术对疲劳试样进行了微观组织表征，分析了局部塑性变形、晶粒取向和晶界特征。
- 此外，还利用透射电子显微镜（TEM）观察了位错微观结构，并对碳化物析出进行了分析。
- 最后，结合宏观力学性能和微观组织结构的分析结果，揭示了 316H 不锈钢的循环变形机制和损伤机制。
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图1. 疲劳测试系统研究亮点
- 揭示了316H不锈钢在650°C高温下的Masing行为转变规律，发现其在应变幅度低于0.6%时表现出非Masing行为，而在应变幅度大于0.6%时则表现出 Masing 行为。
- 深入分析了循环硬化、稳定和软化阶段的流动应力分解机制，阐明了位错构型演变对Masing行为的影响。
- 精确表征了316H不锈钢在高温疲劳过程中的局部塑性变形、晶粒分类和碳化物析出等微观组织特征。
- 系统研究了裂纹萌生和扩展特征以及主要损伤机制的演变规律，发现晶间损伤在高应变幅度下占主导地位。
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图2. (a) 基于KWLC方法的应力分解示意图；(b)(c)(d) 分别为应变幅度为0.2%、0.6%和1.0%时的应力分解结果；(e)(f) 分别为不同应变幅度下的摩擦应力和背应力的变化。
研究意义
- 本研究为预测和评估316H不锈钢在高温下的疲劳寿命提供了新的思路和方法。
- 研究结果可为设计和优化316H不锈钢在核电站等高温环境下的应用提供理论指导，提高设备的安全性和可靠性。
- 本研究对其他高温合金的疲劳性能研究也具有一定的借鉴意义。
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图3. (a)-(d) 应变幅度为0.2%、0.4%、0.6%和1.0%的断裂试样晶界附近区域的位错微观结构；(e) 晶界处的析出物；(f) 沿(e)图中AB线的析出物EDS结果，即从A点到B点的元素变化。
这项工作的第一作者来自天津大学的Yang Jing-Yu。天津大学的李兵兵教授和陈旭教授是该论文的通讯作者。J. Yang, B. Li, K. Wang, L. Zhao, L. Xu, X. Chen, Cyclic deformation behavior and damage mechanism of 316H stainless steel under low-cycle fatigue loading at 650 °C, International Journal of Fatigue 188 (2024) 108523. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2024.108523.
编译：贺君敬 博士
