关于110 K温度下S30408奥氏体不锈钢低周疲劳性能的研究

低温下S30408不锈钢循环疲劳特性及S-N曲线研究。在110K开展应变比-1的循环疲劳试验，发现0.4%-0.8%应变幅下低温疲劳寿命较常温提升显著，并建立安全系数分别为20（寿命）和2（应力幅）的低温S-N曲线，该曲线在10³-10⁶循环区间较ASME和EN标准曲线提升应力幅达30%-50%。

孙山|卢群杰|郑金阳|胡江川|胡佩宇|史建峰|李克明|罗小忠|钟凤平

浙江大学先进设备研究所，杭州310027，中国

摘要

本研究在110 K温度下对S30408奥氏体不锈钢进行了低周疲劳试验，其应变比为-1，并建立了相应的110 K低温设计疲劳曲线（S-N曲线）。实验结果表明，在0.4%-0.8%的应变幅度范围内，S30408在110 K下的疲劳寿命显著优于293 K下的疲劳寿命，且疲劳性能存在显著差异。在110 K下，0.5%应变幅度下的循环应力响应分为三个明显阶段：快速循环硬化、循环稳定化和快速衰减，因此具有循环稳定化阶段以及比293 K更高的循环应力幅度。微观分析显示，110 K下的疲劳断裂具有明显的韧性断裂特征，而在高应变幅度下，还表现出多个裂纹源、疲劳台阶和裂纹起始区域的二次裂纹。基于本研究的实验数据和相关文献，建立了S30408奥氏体不锈钢的110 K低温S-N曲线，其疲劳寿命安全系数为20，应力幅度安全系数为2。与ASME VIII-2和EN 13445–3中规定的S-N曲线相比，当循环次数超过10^3时，110 K低温S-N曲线的应力幅度更高。在压力容器的典型疲劳寿命范围内（10^3至10^6次循环），该曲线可以显著延长低温压力容器的使用寿命。

引言

作为清洁能源，液化天然气（LNG）可以显著减少各种污染物的排放。它还具有丰富的储备和成本效益，因此受到了广泛关注[1],[2]。用于LNG储存和运输的材料需要在低温下具备高强度、优异的延展性和良好的焊接性。由于奥氏体不锈钢的面心立方晶体结构，它们不仅具有出色的加工性能，而且在低温条件下表现出优异的抗脆性断裂性能。随着温度的降低，其屈服强度和抗拉强度显著增加，满足了结构承载要求；特别是，没有韧性-脆性转变，使这些钢材具有优异的强度-韧性平衡。此外，焊接接头对低温储罐的结构完整性和安全性至关重要。奥氏体不锈钢焊接接头在低温下仍保持高强度，并且在焊接过程中不易发生冷裂纹[3],[4],[5],[6]。因此，奥氏体不锈钢被广泛用于储存和运输低温液化气体的储罐中。

然而，在LNG储罐的运行过程中，频繁的装卸循环和充填/排空过程可能会引起交变载荷。对于移动储罐，运输过程中的液体晃动还会进一步引起周期性载荷。这些交变载荷可能导致疲劳失效，对储罐的运行安全构成重大威胁[7],[8],[9]。因此，系统研究110 K下奥氏体不锈钢的疲劳性能具有重要的工程意义。目前，学者们已经对奥氏体不锈钢的低温疲劳行为进行了初步研究。Lee等人[8]报告称，SUS304的疲劳强度随温度的降低而提高（室温、173 K和110 K）。Yang等人[10]观察到，与室温相比，X5CrNi18-10在77 K下的疲劳寿命显著提高，这是由于其抗拉性能的提高，从而增加了疲劳极限和抗疲劳失效的能力。Wu等人[9]发现，在77 K下，S30408的低周疲劳（LCF）寿命在0.4%-0.5%的应变幅度下增加了5-10倍，而低温对疲劳寿命的增强效果随着应变幅度的增加而减弱。Jin[11]报告称，S30408在110 K下的疲劳寿命显著高于室温。Shim等人[12]发现，SS304L在111 K和77 K下的疲劳极限显著高于室温，且低温下的断裂表面与室温下的断裂表面相似，表现为小裂纹起始、生长、聚合和最终断裂。

在明确了低温对奥氏体不锈钢疲劳强度和寿命的宏观影响后，研究人员进一步关注微观变形机制、微观结构演变和损伤行为之间的关系。MUKAI等人[13]研究了γ相稳定性、马氏体转变和氮对293 K和111 K下γ相系列不锈钢（SUS 304、310S和316LN）疲劳强度的影响。他们发现疲劳强度随抗拉强度的增加而提高——这一效应在亚稳态钢中通过α′-马氏体的形成得到增强，在稳态钢中则通过氮诱导的基体固溶强化得到增强。TAKEMOTO等人[14]研究了氮对18.5Cr-15Ni在室温、173 K和111 K下的LCF行为的影响。结果表明，氮通过诱导循环硬化-软化行为延长了疲劳寿命。此外，降低测试温度通过位错与短程应力场中的短程有序区之间的强相互作用进一步增强了疲劳寿命，从而抑制了疲劳损伤的积累。Dang等人[15]报告称，1Cr18Ni9Ti在低温下的疲劳寿命变化（即增加或减少）主要由强度和塑性的权衡以及循环变形过程中的马氏体转变行为决定。BOTSHEKAN等人[16]观察到，AISI 316LN在77 K下的LCF寿命优于300 K，这归因于滑移均匀性的提高（阻碍了裂纹的生成）和早期裂纹生长的抵抗力增强——这是由于马氏体岛屿部分阻塞了裂纹路径。Jovičević-Klug等人[17]发现，低温处理促进了AISI 304L中奥氏体向ε-马氏体的转变，而ε-马氏体的再结晶和纳米级碳化物的大量沉淀有效阻碍了裂纹的扩展，从而显著提高了疲劳强度。Xin等人[18]观察到，316LN在4.2 K下的疲劳变形受位错和堆垛层错的控制，未检测到马氏体转变。Singh等人[19]发现，SS316L在15 K下的疲劳寿命显著高于室温，这归因于疲劳应变的有效利用，通过多种变形机制（包括堆垛层错、两步马氏体转变（γ → ε → α'）和α'-孪晶）延迟了裂纹的扩展。

尽管现有研究对奥氏体不锈钢在低温条件下的疲劳行为提供了初步见解，但对其在110 K下的LCF行为（包括循环应力响应、迟滞环和循环应力-应变曲线）的系统和深入分析仍然有限。此外，ASME VIII-2[20]和EN 13445–3[21]中采用的奥氏体不锈钢S-N曲线是在没有考虑低温条件对疲劳性能影响的情况下建立的。这种忽略可能导致低估材料在低温服役条件下的疲劳潜力，从而限制了低温压力容器轻量化的进展。目前，110 K服役条件下的实验数据仍然稀缺，难以建立统计上可靠和准确的S-N曲线。因此，迫切需要系统研究110 K下奥氏体不锈钢的疲劳行为，扩展和整合现有的疲劳数据，并最终建立适用于LNG储罐的S-N曲线。这项工作将为低温工程设备的安全设计和轻量化发展奠定基础。

本研究在110 K温度下对S30408奥氏体不锈钢进行了LCF试验，应变比为-1。将获得的低温疲劳性能与293 K下的性能进行了比较，以阐明低温对LCF性能的影响。对110 K下不同应变幅度下的断裂表面特征进行了扫描电子显微镜（SEM）分析，以确定疲劳寿命差异的来源。基于本研究的实验数据和相关文献，建立了S30408奥氏体不锈钢的110 K低温S-N曲线，并将其与ASME VIII-2和EN 13445–3中的S-N曲线进行了比较。

材料

本研究使用了14毫米热轧S30408不锈钢（相当于UNS S30400或EN X5CrNi18-10）板材。该钢材的化学成分见表1，机械性能见表2。其化学成分和室温机械性能符合GB/T 713.7[22]的要求。此外，该材料还满足ASME SA-240/SA-240 M[23]中对UNS S30400（304型）以及EN中对X5CrNi18-10（1.4301）的规定

疲劳性能

由于疲劳试验数据的分散性，每种条件下都测试了多个平行试样。此外，还在293 K下进行了0.5%应变幅度的系列疲劳试验。文献[9],[27]中报告的293 K下0.4%至0.8%应变幅度下的疲劳寿命也与110 K下的疲劳寿命进行了比较，如图3所示。在0.8%应变幅度下，293 K下的失效循环次数（N_f）为460次，而110 K下的N_f为2452次，有所增加

结论

本研究在110 K温度下对S30408奥氏体不锈钢进行了应变比为-1的LCF试验，并研究了其LCF性能和疲劳断裂形态。基于本研究和相关文献获得的实验数据，建立了S30408奥氏体不锈钢的110 K低温S-N曲线。研究结论总结如下：

1. 低温显著提高了S30408的疲劳寿命

作者贡献声明

孙山：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、调查、形式分析、数据管理。卢群杰：写作——审稿与编辑、方法论。郑金阳：写作——审稿与编辑、方法论、概念化。胡江川：写作——审稿与编辑。胡佩宇：调查。史建峰：方法论。李克明：项目管理、资金获取。罗小忠：资源协调。钟凤平：资源协调。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢浙江大学的Gu朝华和赵一鸣在制定测试计划和疲劳试验方面的帮助和支持。我们还要感谢浙江特种设备科学研究院的熊发浩、马琳琳、曹慧全、陈志昌、余婷等人在疲劳和微观测试方面的协助。同时，我们也感谢张家港CIMC Sanctum Cryogenic Equipment有限公司的刘东进和丁玉芳在钢材方面的支持