浙江至德鋼業有限公司對2205雙相不銹鋼管在空氣、去離子水和3.5%氯化鈉溶液中進行疲勞裂紋擴展實驗，結果表明，水溶液環境可顯著提高2205雙相不銹鋼管疲勞裂紋擴展速率，降低其疲勞壽命，斷口觀察表明，氫致開裂是雙相不銹鋼材料在水溶液介質中疲勞性能弱化的主要原因。與去離子水相比，氯離子具有更強的腐蝕作用，在主裂紋前端可誘發更多的缺陷并發展成二次裂紋，使有效裂紋長度更長，裂紋擴展的驅動力更小。

 由于材料與環境系統的多樣性及環境與循環載荷的交互作用，使得金屬材料的腐蝕疲勞行為十分復雜。在海洋和核電工業的復雜環境下，裝備材料的腐蝕疲勞是主要失效形式之一。腐蝕疲勞中，裂紋擴展壽命占腐蝕疲勞總壽命的90%。研究金屬材料在水溶液中的疲勞裂紋擴展行為對于其安全使用具有重要意義。2205雙相不銹鋼管因其優良的耐蝕性和強度高以及經濟實用性，在造船業和運輸業得到了越來越多的應用。目前，有關雙相不銹鋼的研究主要集中于抗腐蝕性能、熱處理工藝及熱處理對腐蝕性能的影響和其焊接性、焊縫性能的研究等，關于雙相不銹鋼管的腐蝕疲勞行為的研究尚不多見。至德鋼業對2205雙相不銹鋼管試樣在空氣、去離子水和3.5%氯化鈉溶液環境中進行疲勞裂紋擴展實驗，研究介質環境對疲勞裂紋擴展行為的影響及其斷裂機理。

一、實驗方法

 實驗材料為泰山鋼鐵集團提供的2205雙相不銹鋼管，厚度10mm，其屈服強度和抗拉強度分別為600和805MPa，延伸率為36%；鋼中鐵素體相與奧氏體相的兩相比約為1∶1。選用標準單邊缺口三點彎曲SE(B)試樣，按照GB/T6398-2000《金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》加工，試樣尺寸如圖所示，裂紋擴展方向垂直于軋制方向。疲勞試驗在電液伺服疲勞試驗機上進行。采用正弦交變載荷，應力比R=0.1。在初始載荷范圍ΔP=9000N時開始預制裂紋，并逐級降力至ΔP=3500N，每級降力率約為10%~20%，預制裂紋總長度約為2mm。用COD規測量裂紋張開位移，用柔度法測定裂紋長度a。依據GB/T6398-2000中附錄A七點遞增多項式法，進行數據擬合得出疲勞裂紋擴展速率da/dN和應力強度因子幅ΔK。在疲勞試驗過程中，試樣一直浸沒在環境槽中，并用恒流泵對溶液介質進行循環，溶液流量為1.0~1.2mL/min。最后采用NOVANanoSEM430型掃描電鏡(SEM)對斷口進行形貌分析。

二、實驗結果

 1. a-N曲線和da/dN-ΔK曲線的對比

  不同環境下2205雙相不銹鋼管試樣疲勞裂紋擴展的a-N曲線如圖所示。試樣在裂紋擴展約14mm后斷裂。其疲勞裂紋擴展壽命在空氣中約為3.2×10⁵次，在NaCl溶液中約為2.8×10⁵次，在去離子水中約為1.9×10⁵次。與空氣中試樣相比，2205雙相不銹鋼管的疲勞裂紋擴展壽命在NaCl溶液中降低了12.5%，在去離子水溶液中降低了40.6%。

 圖是不同環境下2205雙相不銹鋼管試樣da/dN-ΔK曲線的對比。溶液環境明顯加速了2205雙相不銹鋼管試樣的疲勞裂紋擴展。在相同ΔK，2205雙相不銹鋼管試樣在去離子水中的疲勞裂紋擴展速率最快。溶液環境增大近門檻區范圍，不但有降低門檻值的趨勢，而且使近門檻區向穩態擴展區轉變的臨界ΔKc顯著提高。溶液環境下，裂紋尖端形成含鐵的腐蝕產物易引起閉合效應，可有效降低裂尖ΔK，可能是使近門檻區范圍變大的原因。在穩態區，疲勞裂紋擴展通常可以用Paris公式da/dN=CΔKm擬合，C和m為線性擬合參數，結果如表所示。

 2. 斷口形貌

 圖為2205雙相不銹鋼管試樣在空氣、氯化鈉溶液和去離子水中的斷口形貌對比。圖可以看出，在空氣中，2205雙相不銹鋼管試樣的疲勞斷口以脆性準解理斷裂為主要特征，在近門檻區主裂紋面比較平整，河流花樣向裂紋擴展方向流動，在垂直于主裂紋面方向可發現少量的不連續二次小裂紋；在穩態擴展區，二次小裂紋數量顯著增加；在失穩區二次小裂紋以撕裂方式相連接形成大裂紋，可以看到多條明顯的、連續的撕裂棱。圖可以看出，在氯化鈉溶液中，2205雙相不銹鋼管試樣的疲勞斷口具有脆性準解理、二次裂紋、撕裂棱等氫脆特征，在近門檻區主裂紋面上可發現少量的小點蝕坑，在垂直于主裂紋面方向可發現少量的不連續二次小裂紋；穩態擴展區主裂紋面上的點蝕坑數量顯著增加，點蝕坑長大，二次小裂紋數量顯著增加；在失穩區，主裂紋面上的點蝕坑尺寸明顯增大，二次小裂紋逐漸連接形成多條細長的、不連續的撕裂棱。圖4c可以看出，在去離子水中，2205雙相不銹鋼管試樣的疲勞斷口呈現準解理斷裂，在近門檻區斷口表面比較平滑，未發現明顯的二次小裂紋；在穩態擴展區斷口表面粗糙不平，在平面中心線位置可以看到一條明顯的、粗大的山脊狀撕裂棱貫穿至失穩區。

三、分析與討論

  氫致開裂是雙相不銹鋼材料在水溶液介質中性能弱化的主要原因，2205雙相不銹鋼管在水溶液中疲勞裂紋加速擴展現象主要與鐵素體相的氫脆有關。在水溶液中，循環載荷引起試樣表面鈍化膜破裂，裸露金屬可作為陽極發生溶解反應，裂紋壁可作為陰極發生析氫反應，其電化學反應如式。當擴散到裂尖的吸附氫Hads達到臨界濃度時，裂尖金屬開裂，同時在裂紋面留下含Fe的氧化物。這一過程反復進行，疲勞裂紋向前擴展。陽極反應M→Mz++ze-(1)水解反應Mz++pH2O→M(OH)z-pp+pH+(2)陰極反應H++e-→HadsHads+Hads→H2(3)其中，M代表不銹鋼基體的主要元素鐵、鉻或鎳。2205雙相不銹鋼管在兩種水溶液中裂紋擴展能力差別與裂紋擴展驅動力有關。雙相鋼的兩相具有不協調變形能力，易于在相界處引起局部應力集中，產生缺陷并發展成二次小裂紋，導致有效裂紋長度增加，如圖所示。與去離子水相比，含氯離子介質具有更強的腐蝕作用，在主裂紋前端易于誘發大量缺陷并形成更多二次裂紋，使有效裂紋長度更長，裂紋擴展驅動力更小。

 2205雙相不銹鋼管在3.5%氯化鈉溶液中疲勞裂紋擴展驅動力比在去離子水介質中更低，擴展速度更慢，這與Paris公式擬合得到的數據一致。介質環境的差異導致2205雙相不銹鋼管試樣斷裂機理發生改變。在3.5%氯化鈉溶液中，氯離子在主裂紋前端誘發更多缺陷，形成二次裂紋，產生多條細小的撕裂棱；而在去離子水中，只有主裂紋前端在失穩區形成一條粗大的、山脊狀的撕裂棱。

四、結論

  水溶液環境顯著提高2205雙相不銹鋼管疲勞裂紋擴展速率，降低其疲勞壽命。兩相具有不協調變形能力，易于在相界處引起應力集中，產生二次小裂紋，使有效裂紋長度增加。與去離子水相比，氯離子具有更強的腐蝕作用，在主裂紋前端可誘發更多的缺陷并發展成二次裂紋，使有效裂紋長度更長，裂紋擴展的驅動力更小。