几种超纯铁素体不锈钢高温疲劳行为研究

几种超纯铁素体不锈钢高温疲劳行为研究提高燃油效率、净化废气、轻量化、控制成本与延长寿命等已成为当今汽车工业发展的主题,而汽车排气系统中所使用的传统结构材料已经不能满足现代汽车工业的发展需求,故奥氏体不锈钢以其所具有的良好的高温性能而被广泛应用于汽车排气系统中。近年来,铁素体不锈钢因呈现较高的高温强度、优良的抗热疲劳性能、较好的高温氧化和应力腐蚀开裂抗力,已逐步取代奥氏体不锈钢在汽车排气系统中得到应用。汽车排气系统中靠近发动机的热端部件在汽车发动机工作时往往要承受600oC¹000oC的高温。热端部件在汽车运行过程中的受载情况也比较复杂,汽车在启动和刹车过程中产生的载荷变化以及汽车行驶过程中产生的机械振动,都会造成热端部件受到交变载荷的作用,而汽车平稳行驶过程中热端部件受到的载荷相对稳定,可以看作受到恒定载荷的作用。因此,汽车排气系统热端部件在服役过程中不但受到高温疲劳损伤,还要受到蠕变损伤以及高温尾气产生的氧化损伤。显然,研究高温疲劳损伤、蠕变损伤以及高温氧化损伤对汽车排气系统热端部件用铁素体不锈钢的影响,是解决热端部件用铁素体不锈钢在使用时所面临的问题的前提。为此,本文以B429、B429Mo和B441三种排气系统热端用铁素体不锈钢为研究对象,研究其在800oC下无应力保载的高温疲劳、氩气环境中应力保载10s的疲劳-蠕变交互作用以及模拟汽车尾气环境中应力保载10s的疲劳-蠕变-氧化交互作用三种加载条件下的循环变形行为,揭示相应的变形机制与断裂机理,以期为上述三种铁素体不锈钢在汽车排气系统中的进一步工程应用提供可靠的理论依据。高温疲劳实验结果表明,在800oC无应力保载条件下,B429铁素体不锈钢的疲劳极限为30MPa,B429Mo铁素体不锈钢的疲劳极限为35MPa,而B441铁素体不锈钢的疲劳极限为25MPa。在高应力区间内,B429铁素体不锈钢的循环变形抗力和疲劳寿命均高于B429Mo铁素体不锈钢,而在低应力区间内,B429Mo铁素体不锈钢的循环变形抗力和疲劳寿命要高于B429铁素体不锈钢;在所有最大循环应力下,B441铁素体不锈钢的循环变形抗力和疲劳寿命均为最低。在氩气中应力保载10s的加载条件下,三种铁素体不锈钢在疲劳-蠕变交互作用条件下的循环变形抗力和疲劳寿命与无应力保载的疲劳加载条件下的相比均显著降低,其中B429Mo铁素体不锈钢的循环变形抗力和疲劳寿命均最高,其次为B441铁素体不锈钢,而B429铁素体不锈钢的循环变形抗力和疲劳寿命均最低。在模拟汽车尾气环境中应力保载10s的疲劳-蠕变-氧化交互作用加载条件下,三种铁素体不锈钢的循环变形抗力和疲劳寿命与疲劳-蠕变交互作用条件下的相比均有所降低,其中B429Mo铁素体不锈钢的循环变形抗力和疲劳寿命亦为最高,其次为B441铁素体不锈钢,而B429铁素体不锈钢的循环变形抗力和疲劳寿命则为最低。微观组织结构观察结果表明,在无应力保载的疲劳加载条件下,B429和B429Mo铁素体不锈钢主要以平面滑移方式发生疲劳变形,而B441铁素体不锈钢则可以波状滑移方式发生疲劳变形。在高应力区内,Nb元素的固溶强化作用提高了B429铁素体不锈钢的循环变形抗力和疲劳寿命,而在低应力区内,Mo元素的固溶强化作用提高了B429Mo铁素体不锈钢的循环变形抗力和疲劳寿命。在较低的最大循环应力下,B429和B441铁素体不锈钢中均有Fe₃Nb₃C相析出,而B429Mo铁素体不锈钢中则未发现Fe₃Nb₃C相。Fe₃Nb₃C相的析出会削弱Nb元素的固溶强化效果,对铁素体不锈钢的高温疲劳性能产生不利影响。在氩气和模拟汽车尾气环境中应力保载10s的疲劳-蠕变及疲劳-蠕变-氧化交互作用加载条件下,三种铁素体不锈钢中均出现亚晶组织,而亚晶的形成则导致三种铁素体不锈钢的循环变形抗力和疲劳寿命显著降低。此外,Cr元素对特定滑移系的约束作用可增大B441铁素体不锈钢中位错滑移的阻力,使得在疲劳-蠕变交互作用条件下B441铁素体不锈钢的循环变形抗力和疲劳寿命高于B429铁素体不锈钢。断口形貌观察结果表明,在800oC不同加载条件下,三种铁素体不锈钢的裂纹均是以穿晶方式萌生于疲劳试样表面并以穿晶方式进行扩展。由应力保载引入的蠕变损