疲勞是指材料或構(gòu)件在長期交變載荷持續(xù)作用下產(chǎn)生裂紋，直至材料失效或斷裂的現(xiàn)象。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),因交變載荷引起的疲勞破壞占機(jī)械失效總數(shù)的95%[1-2]。321奧氏體不銹鋼具有良好的抗氧化性、耐腐蝕性和耐熱性，被廣泛應(yīng)用于化學(xué)和核電行業(yè)。奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分、晶粒度、應(yīng)變以及溫度等因素對(duì)其低周疲勞壽命的影響極為關(guān)鍵，但國內(nèi)外均缺乏系統(tǒng)性研究。

添加氮元素能夠延長奧氏體不銹鋼的疲勞壽命[3]。何國求等[4]對(duì)316L和316LN不銹鋼進(jìn)行了單軸拉-壓低周疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)間隙氮原子固溶強(qiáng)化增大了不銹鋼的單軸疲勞等效應(yīng)力幅值，增強(qiáng)了不銹鋼單軸拉-壓疲勞初期硬化后的軟化程度，加快了軟化速率，延長了不銹鋼的單軸拉-壓低周疲勞壽命，固溶氮原子對(duì)單軸疲勞高密度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的形成具有明顯的延緩和抑制作用。

低周疲勞試驗(yàn)中，高循環(huán)應(yīng)力條件下奧氏體不銹鋼經(jīng)過變形易形成馬氏體[5-6]，MYTHILI等[7]對(duì)316不銹鋼進(jìn)行研究，通過額外添加鈦元素與碳元素，使其結(jié)合成為鈦的碳化物，增大了固溶體中的脫碳傾向，從而降低了奧氏體的穩(wěn)定性，促進(jìn)了馬氏體轉(zhuǎn)化，馬氏體的形成又降低了奧氏體不銹鋼裂紋生長速率，使其發(fā)生迅速硬化現(xiàn)象，從而影響奧氏體不銹鋼的疲勞壽命。

奧氏體不銹鋼中碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)影響形變馬氏體的形成，間接影響321不銹鋼的低周疲勞壽命。為了深入研究碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)奧氏體不銹鋼疲勞性能的影響規(guī)律，筆者選擇不同碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的S321和S321H奧氏體不銹鋼，在一系列應(yīng)變幅值下對(duì)材料進(jìn)行等軸低周疲勞試驗(yàn)，對(duì)比分析了碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)奧氏體不銹鋼低周疲勞壽命的影響規(guī)律，以尋求進(jìn)口材料國產(chǎn)化的可行性。

1. 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用S321及S321H奧氏體不銹鋼板的化學(xué)成分如表1所示。

取4個(gè)應(yīng)變幅值（0.9%，0.7%，0.5%，0.4%），在每一個(gè)應(yīng)變幅值下分別取3根試樣進(jìn)行室溫低周疲勞試驗(yàn)，分別測(cè)定其達(dá)到失效時(shí)的循環(huán)周次。

將兩種不銹鋼材料制成室溫及高溫標(biāo)準(zhǔn)低周疲勞試樣，試樣尺寸如圖1，2所示。室溫試樣標(biāo)距段長度為30 mm，標(biāo)距段直徑為10 mm，總長度為111 mm。高溫試樣標(biāo)距段長度為21 mm，標(biāo)距段直徑為7 mm，夾持部分采用螺紋配合。

圖 1 室溫標(biāo)準(zhǔn)低周疲勞試樣尺寸示意

圖 2 標(biāo)準(zhǔn)低周疲勞試樣尺寸示意

1.2 試驗(yàn)方法

低周疲勞試驗(yàn)在拉扭復(fù)合疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用軸向拉-壓加載方式，以加裝引伸計(jì)控制應(yīng)變幅值的方式進(jìn)行試驗(yàn)。其中，應(yīng)變比R=－1，加載波形為三角波，應(yīng)變速率控制為6%/min。試驗(yàn)環(huán)境為室溫靜態(tài)空氣介質(zhì)，溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為40%。高溫試驗(yàn)環(huán)境為爐溫650 ℃，熱電偶控溫。

在應(yīng)變幅值為0.4%，0.5%，0.7%，0.9%下對(duì)兩種不同碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的材料疲勞壽命曲線和循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線進(jìn)行對(duì)比。在室溫下，利用X射線衍射（XRD）儀分析試樣中形變馬氏體含量（體積分?jǐn)?shù)，下同），利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡（SEM）觀察試樣斷口的微觀形貌。

2. 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 疲勞壽命

S321H和S321鋼低周疲勞壽命測(cè)試結(jié)果如表2所示。由表2可知：對(duì)單一材料來說，總應(yīng)變幅值越大，材料的疲勞壽命越短，且隨著應(yīng)變幅值的增大，材料疲勞壽命明顯縮短；對(duì)比S321和S321H鋼，在相同的應(yīng)變幅值下，S321H鋼的低周疲勞壽命均長于S321鋼；當(dāng)總應(yīng)變幅值大于0.5%時(shí)，S321鋼的塑性應(yīng)變幅值和等效應(yīng)力幅值均大于S321H鋼；當(dāng)總應(yīng)變幅值為0.4%時(shí)，S321鋼的塑性應(yīng)變幅值和等效應(yīng)力幅值小于S321H鋼。