Z2CND18.12N奥氏体不锈钢的循环损伤：晶粒尺寸的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Cyclic damage of Z2CND18.12N austenitic stainless steel: effects of grain size

　　

罗中兵|边文山|刘华慧|王燕|金世杰|刘晓英

大连工业大学材料科学与工程学院，中国大连116024

摘要

本文研究了Z2CND18.12N奥氏体不锈钢在低周疲劳损伤过程中的晶粒尺寸效应。特别关注了电子背散射（EBSD）技术下持久滑移带（PSBs）和损伤指数M_L的演变情况。结果表明，随着加载循环次数的增加和应变幅度的增大，M_L值也随之增加，表明损伤程度加剧。对于大晶粒（直径>200 μm），首先出现PSBs，且M_L的分布较为均匀，尤其是在短晶界附近或多个晶粒的交点处，但其平均值低于小晶粒（直径<80 μm）的情况。对于小晶粒，局部晶粒环境的约束可能比晶粒本身的取向对滑移活动的影响更大。分子动力学（MD）模拟表明，大晶粒为位错滑移提供了足够的空间，促进了PSBs的形成。这些结果对于理解Z2CND18.12N钢的疲劳损伤机制以及评估管道结构的使用状态具有重要意义。

引言

Z2CND18.12N氮控奥氏体不锈钢因其优异的机械性能、耐腐蚀性和焊接性能，被广泛用于压水反应堆中的脉冲管道。然而，在高温高压等恶劣环境中长期使用后，该钢材容易发生循环损伤[1]、[2]、[3]、[4]。经过一段时间后，微裂纹可能在微观结构不均匀或应力集中处萌生，并逐渐扩展直至疲劳断裂，从而危及核动力组件的安全。因此，了解Z2CND18.12N钢在微裂纹形成前的演变行为对于阐明循环损伤机制和开发早期损伤评估方法具有重要意义。

关于Z2CND18.12N钢的循环行为的研究主要涵盖三个方面：宏观应力-应变响应[2]、微观位错构型演变[5]、[6]以及寿命预测[7]。微观结构的复杂性，如晶粒尺寸的异质性和各向异性，会导致多晶材料中的局部塑性变形不均匀，这显著影响其变形行为和机械性能。评估局部塑性应变的非均匀性对于阐明疲劳损伤机制至关重要。在微观尺度上，ε_p会导致晶体平面滑移和几何必要位错（GNDs）的产生。由于晶粒尺寸、晶界和晶体取向等因素的差异，不同晶粒表现出不同的滑移、旋转等行为。有研究表明，EBSD测得的M_L值与GND密度一致[7]、[8]、[9]、[10]，这有助于评估非均匀性的程度。邓等人[11]详细研究了304LN奥氏体不锈钢晶粒尺寸对GND发展的影响，发现奥氏体晶粒内的GND分布不均匀，从晶粒中心向晶界逐渐减少。细晶粒中的GND积累更多且更均匀，这归因于测量相关因素：GND密度取决于测量区域，对于小晶粒而言，晶界区域占总晶粒体积的较大比例，从而导致测得的GND密度较高。高等人[12]也观察到了类似现象，即粗晶粒样品的GND密度远低于细晶粒样品。他们还发现GND倾向于在硬取向晶粒内优先积累，表明每个晶粒的变形能力与其初始取向密切相关。高等人[13]也报告了这一现象，并指出晶粒尺寸对位错滑移的影响取决于晶界的阻挡作用，这种效应在平面滑移位错中更为明显。然而，晶粒尺寸对异质多晶材料低周疲劳行为的影响仍不明确。

另一方面，随着加载循环次数的增加，微观不均匀性的积累也会促进滑移行为的发生。作为多晶材料，Z2CND12N钢的低周疲劳是一个复杂的过程。它首先表现为沿特定晶面和方向的滑移，随后与自由表面相互作用产生挤出和侵入，最终形成持久滑移带（PSBs）[6]。总体而言，PSBs是分析早期疲劳损伤机制的关键特征。Villechaise等人[14]发现316L不锈钢中的挤出物截面呈三角形，在疲劳过程中沿滑移方向生长，挤出物的高度与晶粒尺寸成正比。进一步的研究证实，晶体取向对PSBs的起始和扩展方向有重要影响[15]、[16]、[17]。Bartali等人[18]发现双相不锈钢中的奥氏体相与最大Schmid因子（SF）密切相关。当最大SF小于0.33时不会发生滑移，当最大SF在0.33至0.42之间时开始出现多重滑移，而当最大SF大于0.42时更倾向于单滑移。此外，尽管初始晶粒取向显著影响滑移系统的激活，但SF既不是唯一的决定因素，也不是激活的必要条件，这也与晶粒周围的应力状态密切相关。然而，Z2CND12N钢在疲劳过程中的滑移特性和晶粒尺寸的影响仍需进一步研究。

在疲劳过程中，累积的损伤通常表现为不可逆的位错运动。位错不断纠缠和湮灭，形成长程有序结构，如位错脉、位错胞和PSBs等[19]。分子动力学（MD）模拟作为一种研究金属材料变形行为的有效工具，可以提供位错在变形过程中的起始和传播信息，这对于在原子尺度上研究结构演变和变形机制具有很大优势。董等人[20]研究了不同晶粒尺寸的304奥氏体不锈钢的单轴拉伸行为，发现大晶粒主要通过位错滑移变形，而小晶粒则同时受到位错滑移、晶界运动和晶粒旋转的共同影响。沈等人[21]发现单晶铝在塑性变形过程中的位错滑移在外表面湮灭，在晶体内形成台阶并产生空位缺陷。这些台阶通常是不可逆的，其积累会导致局部应力集中，最终导致自由表面的疲劳损伤。

本研究关注Z2CND12N钢的早期低周行为，并全面讨论了晶粒尺寸的影响。通过EBSD同时分析了相应的PSBs和基于取向的损伤指数M_L的演变，以及通过MD模拟研究了不同晶粒尺寸和取向下的位错演变。这些结果有望为分析Z2CND12N钢的疲劳损伤机制和开发管道结构的疲劳损伤评估方法提供参考。

章节摘录

材料

本研究使用的材料是用于核电站压水反应堆脉冲管道的氮控Z2CND18.12N奥氏体不锈钢。其主要成分是铁，其他化学成分符合RCC-M3304标准，如表1所示。

为了便于后续的循环加载，根据ASTM E466标准[22]设计了一个厚度为5毫米的狗骨形疲劳试样，如图1所示。该试样沿管道的厚度方向切割而成。

微观结构和晶粒取向分布

图1中红色区域的微观结构和晶粒取向进行了分析，结果如图3所示。Z2CND12N的初始微观结构为奥氏体，晶粒形状不规则，并含有退火孪晶。通过结合不同的映射场，获得了约1×4.26 mm2区域内的晶体学和晶粒尺寸信息，如图4所示。每个晶粒的取向是随机分布的。如图2和3c所示，晶粒相对较粗，存在一定的不均匀性。

讨论

根据最近提出的奥氏体不锈钢低周疲劳的ΔM_L模型，M_L在晶界处趋于增加，但与表面PSBs的数量无直接关系[5]。主要原因在于位错滑移受到晶界的阻碍，而微观裂纹通常在晶界处萌生。相邻晶粒之间的取向关系对位错的行为有较大影响。

结论

研究了电子背散射（EBSD）结果以及循环加载过程中Z2CND12N钢的滑移和损伤指数M_L的影响。主要结论如下：

• (1)
  在初始循环阶段，M_L缓慢增加，然后在第35,000次循环后迅速上升。小晶粒（<80 μm）的M_L较高，而大晶粒（>200 μm）的M_L较低。在单个晶粒内部，M_L分布不均匀，倾向于在晶界处积累。
• (2)
  关于晶粒尺寸的影响，

CRediT作者贡献声明

王燕：软件处理、数据管理。刘华慧：撰写——初稿、方法论、数据管理。刘晓英：撰写——审稿与编辑、方法论、实验研究。金世杰：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、资金申请。边文山：撰写——初稿、可视化、验证、软件处理、方法论、数据分析。罗中兵：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、监督、资源获取、资金申请

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利益冲突声明

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致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52375527和52275520）的支持。