表面粗糙度對國產316LN鋼低周疲勞性能的影響

魚濱濤，佟振峰，鐘巍華，寧廣勝，楊 文

（中國原子能科學研究院反應堆工程研究設計所，北京 102413）

表面粗糙度對國產316LN鋼低周疲勞性能的影響

魚濱濤，佟振峰＊，鐘巍華，寧廣勝，楊 文

（中國原子能科學研究院反應堆工程研究設計所，北京 102413）

表面粗糙度對材料服役過程中表面缺陷的形成有著重要影響，由于實驗室一般采用光滑試樣測試疲勞性能，而真實主管道經過多道工序，其表面粗糙度遠大于實驗室測試試樣，這會給主管道的設計、使用帶來風險。本文通過測試不同粗糙度316LN不銹鋼的疲勞性能，分析粗糙度（分別為0.08、0.4、1.0μm）對疲勞壽命的影響。結果表明，隨著粗糙度的增加，疲勞壽命會相應減少，兩者在雙對數坐標下呈線性關系。通過斷口觀察對比和裂紋萌生機理分析可知，粗糙度增加會引起應力集中，增加微裂紋的萌生速度，從而導致疲勞壽命下降。

316LN；低周疲勞壽命；表面粗糙度；應力集中

主管道是連接反應堆壓力容器與蒸汽發生器的大型厚壁管道，承擔著冷卻堆芯和能量輸出的重任，對核島的安全運行起著重要作用。在反應堆運行期間，管道內壓力波動、溫度波動和流體振動等都會使管道受到循環應力作用，長期以往，即使累積的塑性變形未達到許用應變，也可能導致疲勞失效，從而對整個核島安全運行構成威脅［1］。

316LN奧氏體不銹鋼是第3代壓水堆AP1000的主管道材料，它是在316L基礎上進行固氮強化而形成的。316LN既克服了316L強度不足的缺點，又保留了較強的耐晶間腐蝕能力。如今，我國正在籌建的具有自主產權的CAP1400，也將使用國產316LN作為主管道材料。但目前國際上在役的核電站主管道材料主要是304NG或316SS等，且奧氏體材料疲勞壽命設計曲線也是通過上述材料測試獲得的，考慮到60年的設計壽期，CAP1400采用316LN大型無縫管作為主管道，但前期對其疲勞性能的研究相對較少，缺乏相關的性能數據［2］。此外，實驗室測試疲勞時，其試樣的粗糙度一般小于0.2μm，但真實的主管道需經過多個加工工藝，其表面粗糙度只能達到幾μm［3］，而這是否會影響疲勞壽命需要進一步的研究。本文針對國產主管道材料316LN，利用不同表面粗糙度的試樣，測試疲勞性能，結合SEM微觀斷口分析，探索粗糙度對該材料疲勞行為的影響規律。

1 試驗材料及試驗方法

本文使用的試驗材料為中國第二重型機械集團公司生產的316LN不銹鋼，其化學成分列于表1。圖1為試樣的微觀組織形貌，其晶粒尺寸約為90μm（通過直線截點法測得）。

試樣為等截面試樣，沿主管道軸向取樣，參照GB 15248［4］和ASTM E466［5］標準進行設計，具體試樣形狀和尺寸示于圖2。疲勞試驗在MTS-Landmark 200電液伺服試驗機上進行，使用的應變幅為0.6%，應變速率為0.4%／s，采用對稱應變加載模式（應變比R＝－1），控制應變波形為三角波。粗糙試樣是利用砂輪和車床對光滑試樣進行再加工而獲得的，所有試樣的粗糙度是通過白光干涉儀沿軸向正反各取3個0.5 mm× 0.6 mm小區域測試后取平均值獲得的。

表1 國產316LN化學成分Table 1 Chemical composition of domestic 316LN

圖1 試樣微觀組織Fig.1 Microstructure of specimen

圖2 試樣形狀和尺寸Fig.2 Shape and size of specimen

2 試驗結果

2.1 表面粗糙度測量結果

對不同加工形式獲得的疲勞試樣用白光干涉儀進行表面粗糙度測量，可獲得試樣詳細的表面形貌（圖3）。圖3中左側為其3D圖，反映整個測試區域形貌；右側為沿x軸的輪廓線，反映沿軸向試樣凹凸變化情況。對所有測試結果進行統計，便可得到試樣的平均粗糙度（表2），Ra為算術平均粗糙度?？梢?，光滑試樣的粗糙度與粗糙試樣的粗糙度相差很大，而兩種加工方式所產生的粗糙度也不同。其中，砂輪加工的兩個試樣的粗糙度相差不大，測試時6個小區域所測值相差很小，但車床加工后試樣的粗糙度波動明顯增大。

圖3 試樣表面形貌Fig.3 Surface morphology of specimen

2.2 疲勞性能測試結果

在室溫環境下，對所有試樣進行疲勞性能測試，并對所得數據與光滑樣品的測試疲勞曲線比較，結果如圖4所示。通過對比光滑試樣與粗糙試樣的壽命可知，當Ra從0.078μm增加到1.047μm時，疲勞壽命卻下降了近40%，即主管道真正的疲勞壽命很可能只有實驗室測得的1／2左右，這會很大地影響主管道的安全使用。

表2 試樣粗糙度測量結果Table 2 Measurement result of surface roughness for specimen

圖4 不同粗糙度樣品的疲勞壽命Fig.4 Fatigue life of different surface roughness specimens

3 分析與討論

3.1 粗糙度對應力集中系數的影響

對比圖3中3D圖可看出，所有試樣都有明顯的環向加工凹槽，峰谷值隨加工方式的不同顯示出巨大的差異，且車床加工試樣與砂輪加工試樣的表面都能觀察到明顯的加工缺陷（如毛刺、積屑瘤等），這些都會造成很大的粗糙度、引起裂紋在其根部起裂［6－7］。對圖3中的表面輪廓線進行測量可知，1號試樣的波谷值較小，其最大波谷值僅0.75μm左右，但2號試樣的波谷值卻能達到1.2μm左右，至于5號試樣甚至達到5.5μm。即隨著表面粗糙度的增加，試樣表面的切口高度也會增加。此外，對比圖3中3種試樣的測試結果，可看出隨著粗糙度的增加，波谷的曲率半徑也會發生變化，光滑試樣的最大曲率半徑可達13μm左右，平均值為7μm左右，而Ra為1.047μm的試樣最大曲率半徑僅為8μm左右，平均值約2μm。但本文測量精度有限，忽略曲率半徑的影響，統一認為所有試樣的曲率半徑均為5μm。通常表面粗糙度與應力集中系數存在如下關系［7－9］：

式中：Kt為應力集中系數；t為切口高度；ρ為缺口根部曲率半徑。

雖然式（1）很好地反映了表面粗糙度和應力集中系數的關系，但實際應用中切口高度t很難測得，因此一般用微觀不平度十點高度Rz來代替切口高度t［8－9］。從3種加工方式中各取1個試樣進行分析（分別取1號、2號、5號試樣），可得到它們的Rz分別為0.496、1.72和4.496μm。將Rz代入式（1），便可得到這3個試樣的應力集中系數約為1.63、2.17和2.90。由此可知，當粗糙度增大，會引起應力集中系數成倍的增加，因此會導致材料服役過程中缺口根部所受應力遠超過名義應力，加快表面裂紋的萌生。

3.2 粗糙度對疲勞斷裂行為的影響

對比所有測試試樣峰值應力曲線（圖5）可見，它們幾乎完全重合，通過計算可知不同粗糙度下半壽命峰值應力僅相差約3.2%，并無規律性，因此可認為粗糙度對疲勞名義應力響應無影響，其半壽命應力峰值約為303 MPa。由于試驗為低周疲勞，有塑性應變存在，因此缺口根部所受局部應力需使用彈塑性理論來分析。

圖5 不同粗糙度下316LN的循環應力曲線Fig.5 Cyclic stress response curve of 316LN with different surface roughnesses

金屬材料循環應力-應變行為一般滿足Remberg-Osgood彈塑性關系，因此有：

式中：E為循環彈性模量；εe、εp分別為彈性應變和塑性應變；K為循環強度系數；n為循環應變硬化指數。通過對半壽命遲滯回線測量計算，可得到E為179 GPa；通過對圖6中數據（所有數據是之前工作中獲得，應變幅為0.2%～1.0%）進行擬合，可得到K為1 221 MPa，n為0.244。

圖6 316LN應力幅-塑性應變幅曲線Fig.6 Stress amplitude-plastic strain amplitude curve of 316LN in half life

根據線性理論可知：

其中：ε為缺口根部真實應變；e為應力應變。聯立式（1）、（2）和（3），可得到上述3種應力集中系數下，缺口根部真實應力分別為371、404和438 MPa，即粗糙度最大的試樣較光滑試樣在缺口處多承受60 MPa的應力。因此，對于所研究的試樣，隨著粗糙度的增加，缺口局部的應力增大，這會導致微裂紋更易萌發，加速裂紋起裂速度，即試樣越粗糙，產生的微裂紋越多、速度也越快。

圖7為失效試樣的表面形貌。從圖7可發現，粗糙度越大的試樣，其表面裂紋越平直，這恰好證明了上述的分析結果。當粗糙度較小時，缺口根部所受應力較小，能萌生的微裂紋數量也較少，當微裂紋擴展時，合并微裂紋將是一個很有效的擴展形式（裂紋擴展的能量原則［10］），但粗糙度較小的試樣，其微裂紋較少且不在同一平面上，合并較為困難，所以造成裂紋呈現彎曲狀；當粗糙度較大時，微裂紋容易萌生，同一平面上可能出現多個裂紋源，裂紋擴展時很容易互相合并，其擴展方向一直受應力控制，呈現出較為平直的狀態，且垂直于應力方向。此外，當這些微裂紋增多后，對主裂紋擴展產生貢獻，進一步降低了試樣的疲勞壽命，如圖8所示，粗糙表面的試樣有更多的裂紋源對主裂紋擴展有貢獻。

圖7 不同粗糙度試樣的表面形貌Fig.7 Surface morphology of different surface roughness specimens

圖8 不同粗糙度試樣斷口表面的SEM照片Fig.8 SEM images of fractured surface of different surface roughness specimens

3.3 粗糙度對疲勞壽命的影響

由上述分析可知，粗糙度的增加會加速微裂紋的萌生和擴展，從而加快主裂紋的形成，導致疲勞壽命的減小。這一分析結果與Maiya等［11］在304SS中得到的結果很相似，他們認為粗糙度會影響裂紋萌生壽命，而裂紋萌生壽命則包括微裂紋萌生壽命和微裂紋擴展一個晶粒尺度的壽命（約100μm）。若以100μm作為微裂紋擴展區域，則在微裂紋萌生壽命期間，其擴展方向與作用力呈一定夾角（圖9），與疲勞裂紋門檻值附近的擴展相符合。即這段裂紋擴展速率極低，即使只擴展100μm，但其所需要的循環次數會相對較高，使得裂紋萌生壽命占總壽命的比例會較高，這也解釋了粗糙度增大會大幅降低疲勞壽命的原因。

圖9 裂紋擴展顯微照片Fig.9 Micrograph of crack propagation

依據本文結果，將試樣表面粗糙度增加與疲勞壽命降低的趨勢進行擬合，結果如圖10所示，兩者在雙對數坐標下呈線性關系。獲得的擬合曲線關系如式（4）所示，該式可較好地預測316LN主管道的粗糙度對疲勞壽命的影響。

式中：Nf，S為光滑試樣的疲勞壽命；Ra，S為光滑試樣的粗糙度。

圖10 粗糙度對疲勞壽命的影響Fig.10 Effect of surface roughness on fatigue life

4 結論

1）粗糙度的增大不對疲勞名義應力響應產生影響，但會引起應力集中系數成倍增加，從而導致材料服役過程中缺口根部所受應力遠超過名義應力；

2）粗糙度的增大會增加微裂紋的萌生數量，使微裂紋在擴展時更易合并，從而加速了微裂紋的擴展速率，降低了微裂紋萌生壽命；

3）通過對試樣表面粗糙度與疲勞壽命的擬合發現，兩者在雙對數坐標下呈線性關系。

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Effect of Surface Roughness on Low-cycle Fatigue of Domestic 316LN Austenitic Stainless Steel

YU Bin-tao，TONG Zhen-feng＊，ZHONG Wei-hua，NING Guang-sheng，YANG Wen
（China Institute of Atomic Energy，P.O.Box 275-51，Beijing 102413，China）

The surface roughness has important effects on the surface defect production during material in service.Normally，the specimens used by laboratory for fatigue are smooth，but the real main pipes in reactor would manufacture multi-machining processes.So the surface roughness of main pipe is greater than that of the laboratory specimen.Therefore it will bring to big risks in main pipe design and application.The effects of surface roughness on the low-cycle fatigue life of 316LN stainless steel were investigated.The analysis results show that for the surface roughness of 0.08，0.4 and 1.0μm specimens，the fatigue life reduces with the increase of surface roughness.When both of them under the double logarithm，they show linear relationship.Through theoretical analysis and fracture surface observation，it is shown that the stress concentration will increase and the micro crack will initiate more easily with the surface roughness increase，and then the fatigue life will reduce.

316LN；low-cycle fatigue life；surface roughness；stress concentration

TL341

A

：1000-6931（2015）09-1660-06

10.7538／yzk.2015.49.09.1660

2014-05-06；

2014-09-07

大型先進壓水堆核電站國家科技重大專項資助項目（2011ZX06004-002，2012ZX06004-012）作者簡介：魚濱濤（1987—），男，陜西榆林人，碩士研究生，核能科學與工程專業

＊通信作者：佟振峰，E-mail：tong＠ciae.ac.cn