FV520B-I在不同介质的疲劳失效分析

王金龙， 高斯博， 杨宇星， 鲍永杰， 彭文杰

(1.大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026； 2.大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013； 3.武汉钢铁(集团)公司研究院, 湖北 武汉 430080)

FV520B-I是一种重要的工程材料，由于其具有高强度、高硬度、良好的耐磨性等优良的机械及力学性能而被广泛应用于生产化工、船舶、海洋工程等领域中的核心零部件[1-4]。FV520B-I在服役过程中受到循环载荷的不断作用，其疲劳寿命均已达到超高周范畴。同时，FV52B-I零部件还要面临十分复杂的工况环境[5]，乙烯气、硫化物气体、水蒸气、海水等，这些腐蚀性介质与循环载荷共同作用，形成腐蚀疲劳，加速了FV520B-I疲劳裂纹的扩展，降低了疲劳寿命，导致FV520B-I更容易发生破坏，严重影响了工业生产的正常进行，对FV520B-I零部件的再制造也有不可忽略的作用。针对FV520B-I的腐蚀疲劳行为已经开展了部分研究，魏仁超等[6]、Wu等[7]针对潮湿H2S+Cl-环境及不同温度情况下的FV520B-I的腐蚀疲劳性能进行了研究，并且提出了考虑应力、温度及腐蚀综合影响的疲劳寿命模型。雒设计等[8]采用动电位极化和电化学阻抗谱研究了FV520B不锈钢在3.5%NaCl溶液以及CO2、H2S等气体的3.5%NaCl溶液中的电化学腐蚀行为。FV520B-I在空气环境下的疲劳失效及寿命预测得到了广泛关注[9]，针对超声加载频率[10-11]、表面粗糙度[12-18]等因素对FV520B-I疲劳寿命的影响也开展了相应的研究。

虽然这些研究已经取得了比较丰富的成果，但仍处于初步探索阶段，很多问题仍未得到很好的解决。其中盐水环境下FV520B-I的超高周腐蚀疲劳失效相关研究尚未得到开，其失效行为与机理尚不明确。本文在现有研究成果的基础上，采用试验与理论相结合的方法，分析了3种介质环境中FV520B-I的失效机理与特征，提出了相应的应力-寿命曲线，为保证FV520B-I零部件正常工作、明确废旧零部件可再制造性提供了重要的理论依据。

1 腐蚀疲劳试验

1.1 试验系统及环境

超声疲劳试验系统具有高效率、低能耗、高稳定性等特点，被广泛应用于金属材料超高周疲劳失效研究中。本文使用岛津USF-2000(Ultrasonic Fatigue Test System，USF-2000)超声疲劳试验系统进行试验，载荷频率为20 kHz±500 Hz，试验环境介质分别为空气、水及3.5%NaCl溶液，如图1所示。

图1 疲劳试验系统Fig.1 The fatigue test system

试验中载荷为对称循环载荷，应力比为r=-1，平均应力为0。应力幅值σa设定为475～650 MPa，间隔为25 MPa。

1.2 试验材料

试验中所使用的材料是离心压缩机叶轮用钢FV520B-I，热处理过程为：固溶化处理，时间1～1.5 h，温度(1 050±10)℃，空气冷却；调整处理，时间3～3.5 h，温度(850±10)℃，油浴冷却；时效处理，时间4～5 h，温度(470±10)℃，空气冷却。热处理完成后对FV520B-I进行静力学测试，其力学参数为：弹性模量E=194 GPa，抗拉强度Rm=1 180 MPa，屈服强度Rp0.2=1 029 MPa，维氏硬度HV=380 kgf/mm2，断后伸长率A=16.07%，密度ρ=7.82×103kg/m3。

2 腐蚀疲劳寿命

2.1 腐蚀环境对疲劳寿命的影响

如图2所示为试验得到的数据，包括不同试验介质条件下的应力幅值σa，疲劳寿命Nf，以及FV520B-I在不同试验介质条件下应力-寿命的定性变化趋势曲线。

图2 空气、水及3.5%NaCl溶液中的试验数据分布Fig.2 The distribution of the test data in air, water and 3.5%NaCl solution

根据图2可知，在不同试验介质条件下得到的试验数据具有不同分布特点：在空气环境下，试验数据分布可以分为2个区域，第1区域为寿命小于108周次，此时试验数据分布呈现出连续下降的趋势，且斜率较大；第2区域为寿命大于108周次，此时应力与寿命的关系趋于平缓，并出现未断裂的情况。在水与3.5%NaCl溶液环境中，试验数据分布为连续下降型，并没有出现空气情况下的平缓阶段。试验结果表明，水和3.5%NaCl溶液环境中FV520B-I钢的疲劳性能相较于空气环境大幅降低。本试验得到的FV520B-I空气环境的条件疲劳强度为550 MPa，而水与3.5%NaCl溶液环境下并未出现无限寿命的情，即使应力幅值下降到450 MPa(比空气环境中的条件疲劳强度降低100 MPa)，FV520B-I试件仍发生断裂，且疲劳寿命未达到超高周量级。对比不同试验环境下FV520B-I的疲劳寿命可以看出，在相同的应力幅值条件下，空气环境下的疲劳寿命最大，疲劳寿命均大于107周次，属于超高周范围；3.5%NaCl溶液环境中的疲劳寿命最小，疲劳寿命基本处于高周范围；水环境中的疲劳寿命处于106～108周次。腐蚀介质中的各类元素会与试件材料发生电化学反应，加速裂纹萌生，从而使水与3.5%NaCl溶液环境下的疲劳寿命比空气中的低。而在3.5%NaCl溶液中，Cl-与疲劳载荷的共同作用，破坏腐蚀疲劳过程中形成的钝化膜，与试件材料发生反应，加速疲劳裂纹的萌生与扩展，因此疲劳寿命最低。当应力幅值较高时，水环境相比于空气中的疲劳寿命下降幅度要高于3.5%NaCl溶液相比于水环境的寿命下降幅度。随着应力幅值的降低，3.5%NaCl溶液相比于水环境寿命的下降幅度要高于水环境相比于空气中疲劳寿命的下降幅度。因为在较小的应力幅值条件下，腐蚀介质与试件接触时间增长，环境中Cl-离子等腐蚀因素对FV520B-I疲劳性能的衰减作用逐渐凸显，腐蚀介质在疲劳失效的过程中占主导作用，因此最终疲劳寿命下降的幅度更大。

2.2 不同环境下的应力-寿命模型

为了探索材料疲劳性能，需要明确疲劳载荷与寿命之间的映射关系。应力-寿命曲线是目前最常用的描述应力幅值与疲劳寿命之间定量关系的方法，常用的模型为指数函数公式、幂函数公式、Basquin公式及Weibull公式等。考虑图2中的试验数据分布特点以及试验量，选用幂函数公式作为基本模型来描述应力-寿命曲线的连续下降部分：

SαNf=C→S=C1/αN-1/α

(1)

式中：S为应力幅值，MPa；Nf为疲劳寿命；α与C为模型常数，该模型常数是与试验环境、载荷参数、材料属性相关的参数。在相同的载荷参数与材料的情况下，当试验环境发生改变时，模型的具体形式及曲线也会发生相应的变化。目前，对于离心压缩机叶轮用钢FV520B-I在水及3.5%NaCl溶液情况下的模型参数尚不明确，需要以试验结果基础上对模型中的未知参数进行拟合，确定FV520B-I的参数值，从而建立针对FV520B-I的不同工况环境下的应力-寿命模型。将上述模型进行简化，设C1/α=A，则幂函数公式简化为：

S=AN-1/α

(2)

根据图2中的试验结果(Si,Nf,i)(i=1、2、…)，以此为基础对式(1)进行拟合，用连续的曲线或者是解析表达式来逼近离散数据，近似刻画出平面上的由离散点组成的坐标之间的函数关系。经过计算得到不同试验条件下的模型参数，如表1所示，该结果的置信区间为95%。

表1 不同试验环境下的模型参数

随着试验环境的腐蚀性逐渐增强(空气-水-3.5%NaCl溶液)，模型常数A先降低后增大，模型常数α先增大后降低。通常情况下，幂函数公式是描述空气环境中应力与寿命之间的定量关系，由于空气中的疲劳失效未考虑腐蚀的影响，以疲劳载荷作为主要驱动力，此时模型参数A与α分别反映出只考虑疲劳载荷情况下材料抵抗疲劳失效的能力与试验条件对疲劳寿命的影响。当使用幂函数公式对非空气环境的试验数据进行定量描述时，模型系数A与α则表示环境参数对疲劳失效的影响。在水环境中，虽然水与试件发生了腐蚀反应，但水环境对试件腐蚀疲劳失效的影响小于疲劳载荷对试件腐蚀疲劳失效的影响，疲劳载荷仍是引起最终失效的主要驱动力，因此试件环境由空气变为水时，模型系数A减小，而模型常数α增大。在3.5%NaCl溶液中，由于Cl-等腐蚀因素的作用，腐蚀对试件失效的作用增强，腐蚀与疲劳逐渐形成竞争关系，二者都是引起腐蚀疲劳失效的主要驱动力。因此试验环境由水变为3.5%NaCl溶液时，模型系数A增大与模型常数α减小表示的是在循环载荷的作用下，腐蚀环境对试件失效的影响增大。根据模型参数的变化也可以看出，在腐蚀疲劳的失效过程中，腐蚀与疲劳之间存在竞争的关系。当腐蚀与疲劳对最终失效的“主导关系”发生变化时，相应的模型参数也会随之改变。将参数代入到式(2)中，得到不同试验环境下FV520B-I的应力-寿命曲线模型:

(3)

根据式(3)可以得到FV520B-I在不同试验环境下S-N曲线连续下降部分曲线，如图3所示。可以看出，图3中的曲线与试验数据保持一致的趋势线分布，并且考虑到FV520B-I疲劳寿命具有概率分布的特点，式(3)可以用来定量描述FV520B-I不同环境下的应力与寿命之间的映射关系。

图3 不同试验环境下的S-N曲线Fig.3 The S-N curves in different test environments

3 试验断口特征及讨论

根据试验得到的疲劳寿命将试件断口特征分为超高周断口特征与高周断口特征。在空气环境中，疲劳失效均处于超高周范围；在水环境中，高周疲劳失效与超高周疲劳失效均有发生；在3.5%NaCl溶液环境中，疲劳失效均发生于高周阶段。

3.1 不同试验环境下超高周疲劳失效断口特征

根据图2中的试验数据可知，空气环境中的疲劳寿命以及部分水环境中的疲劳寿命达到了超高周范围，使用扫描电镜显微镜对试件断口进行观察。

在空气环境中，FV520B-I超高周疲劳失效断口分为疲劳裂纹的扩展区与瞬断区，并且在扩展区中可以观察到明显的鱼眼区，为超高周疲劳失效最显著的特征，如图4(a)所示，其应力幅值与对应的疲劳寿命为575 MPa与7.99×107。在疲劳裂纹源附近可以观察到粒状亮面区，表明疲劳失效是由内部夹杂物引起的，如图4(b)所示。

图4 空气环境中的超高周断口特征Fig.4 VHCF fracture characteristics in air

图5所示为水环境中的超高周失效断口特征(500 MPa，1.22×108)，超高周疲劳失效的宏观断口特征如图5(a)所示，同样可以观察到疲劳裂纹的扩展区域与瞬断区域，2个区域之间存在明显的界限，但是并没有观察到空气环境中超高周断口特征中存在的鱼眼区。如图5(b)所示，可以看出此时疲劳失效起源于试件表面，在疲劳裂纹源附近并未观察到明显的腐蚀凹坑，由于水环境的弱腐蚀性在整个疲劳失效过程中并未对试件材料产生明显的影响。同时，在断口表面存在明显的疲劳辉纹与撕裂棱，这与空气环境中的表面失效特征相似。

图5 水环境中的超高周断口特征Fig.5 VHCF fracture characteristics in water

3.2 不同试验环境下高周断口特征

根据图2的试验数据可知，3.5%NaCl溶液中的寿命及部分水环境中的疲劳寿命处于高周阶段。如图7所示为水环境中的高周断口特征(图6(a)、(b)为550 MPa，8.16×106；图6(c)、(d)为600 MPa，4.50×105)。可以看出，在水环境中，高周与超高周断口特征相似，从宏观角度可以将断口分为扩展区与瞬断区，如图6(a)、(c)所示。疲劳失效同样起源于表面，能够在扩展区中观察到明显的疲劳裂纹与撕裂棱，这都是表面疲劳失效的典型特征，如图6(b)、(d)所示。

图6 水环境中的高周断口特征Fig.6 HCF fracture characteristics in water

3.5%NaCl溶液环境中的试件断口特征如图7(a)(500 MPa，1.01×106)、(b)(475 MPa，8.31×105)所示。3.5%NaCl溶液中试件断口比水环境及空气环境中的试件断口更加粗糙，并且能够观察到一定数量的腐蚀坑及腐蚀产物。这些腐蚀坑一般都处于靠近裂纹源的位置，试件由表面裂纹源及腐蚀坑处起裂，并在腐蚀介质及循环载荷的共同作用下不断扩展，腐蚀坑与疲劳裂纹相互影响，不断扩大，最终导致疲劳失效。因此，在3.5%NaCl溶液环境中的试件的疲劳失效相较于另外2种环境中的疲劳寿命发生了大幅的下降。

图7 3.5%NaCl溶液环境中的断口特征Fig.7 Fracture characteristics in 3.5% NaCl solution

4 结论

1)水和3.5%NaCl溶液环境中FV520B-I钢的疲劳性能相较于空气环境大幅降低，且疲劳寿命主要处于高周范围。因为Cl-与疲劳载荷的共同作用，破坏腐蚀疲劳过程中形成的钝化膜，与试件材料发生反应，加速疲劳裂纹的萌生与扩展，因此疲劳寿命最低。

2)当应力幅值较高时，水环境相比于空气中的疲劳寿命下降幅度要高于3.5%NaCl溶液相比于水环境的寿命下降幅度。随着应力幅值的降低，3.5%NaCl溶液相比于水环境寿命的下降幅度要高于水环境相比于空气中疲劳寿命的下降幅度。

3)提出的FV520B-I在不同试验环境下的幂函数模型，随着试验环境的腐蚀性逐渐增强(空气-水-3.5%NaCl溶液)，FV520B-I的寿命模型常数A先降低后增大，模型常数α先增大后降低。根据模型参数的变化也可以看出，在腐蚀疲劳的失效过程中，腐蚀与疲劳之间存在竞争的关系。

4)3.5%NaCl溶液环境中FV520B-I试件断口表面比空气环境及水环境的试件断口表面粗糙，能够观察到腐蚀点、腐蚀坑等腐蚀作用的特征，腐蚀介质与疲劳载荷共同作用，最终导致疲劳失效的发生。

本文仍存在以下问题需要深入研究：1)在现有试验结果的基础上，仍需进行补充试验，增加试验量，丰富试验数据，提高应力-寿命模型参数的拟合精度，对已提出的应力-寿命模型进行修正；2)针对目前的试验环境，进一步开展不同试验环境的腐蚀疲劳试验，实现试验环境的多样性，通过比较不同环境下的试验结果来分析不同腐蚀介质对FV520B-I的疲劳寿命的影响，揭示FV520B-I腐蚀疲劳失效机理。