10H2M钢在超声疲劳测试下千兆周循环服役后的疲劳响应

《Materials Science and Engineering: A》：Fatigue response of 10H2M steel after prolonged service in the giga-cycle regime using ultrasonic fatigue testing

　　

本研究采用超声疲劳测试分析了原始态及540 °C、2.9 MPa压力下服役280,000小时后的10H2M钢的超长寿命疲劳(VHCF)响应。尽管长期服役后屈服强度仅中度下降，但在所施应力范围内疲劳性能显著劣化。断口分析显示两种状态下疲劳裂纹均近表面萌生，碳化物作为优先形核位点。原始材料中裂纹以相对均匀的穿晶方式扩展，最终失效为韧性过载断裂；而长期服役材料断口更粗糙，裂纹偏折与二次裂纹更频繁，与服役引起的碳化物粗化相关。结果表明长期暴露未根本改变表面主导的萌生机制，但强化了碳化物与晶界相关缺陷的作用，从而降低疲劳抗力。基于电子背散射衍射(EBSD)的有限元代表体积单元(RVE)模拟进一步揭示，长期服役提高了局部碳化物/基体应力集中系数，为实验观测到的疲劳抗力劣化提供了微力学证据。此外，X射线衍射(XRD)分析确认了热力学驱动的碳化物析出与晶体学演化，表现为碳过饱和度降低、晶粒细化、残余微应力松弛及长期服役后的织构演化。

研究背景与立项依据：10H2M铬钼钢广泛用于火电蒸汽管道、锅筒与集箱等承压厚壁件，许多电厂已超设计寿命运行，540 °C长期服役会诱发碳化物粗化、球化、回火脆化与晶界蠕变孔洞，但关于铁素体-贝氏体Cr-Mo钢在长期高温服役后进入千兆周(giga-cycle)域的超长寿命疲劳(VHCF)行为、裂纹萌生机理与微观损伤演化尚缺乏系统研究。为此，研究人员以原始态与服役280,000 h（540 °C、2.9 MPa）10H2M钢管为对象，采用20 kHz超声疲劳测试结合XRD、EBSD、KAM、GND及EBSD驱动有限元RVE模拟，揭示服役诱导微观退化对VHCF抗力的定量影响，成果发表于《Materials Science and Engineering: A》。

主要关键技术方法：研究人员从10H2M钢管线切割取样，分原始态与服役280,000 h（540 °C、2.9 MPa）两组；使用Shimadzu USF2000系统在20 kHz、R=-1下做超声疲劳（间歇加载+风冷+红外控温<30 °C），应力幅275–400 MPa，10⁹周为run-out；辅以单轴拉伸获取静态参数；微观表征采用SEM断口、EBSD（IPF、KAM、GND经MTEX计算）、XRD（Co-Kα，Williamson-Hall与Gauss/Cauchy拟合晶胞尺寸与II类残余应力，Nelson-Riley定晶格常数与碳过饱和度，Harris算织构系数TC）；数值上构建EBSD相图分割的Voronoi两相交RVE（43.3×43.3 μm²，基体J₂径向返回塑性、渗碳体线性弹性），提取碳化物/基体界面峰值von Mises与应力集中系数K_t。

研究结果

3.1 力学响应：拉伸显示服役后屈服强度由334 MPa降至248 MPa（降约26%），抗拉强度几乎不变（543–545 MPa），断后伸长略增至38%，杨氏模量216→208 GPa；S-N曲线表明原始态在≤300 MPa可达10⁹周run-out，而服役态同应力寿命降一个数量级以上，375 MPa下不足3,000周失效，证实微观退化严重削弱循环耐久性。

3.2 超声疲劳温度演化：脉冲升温依赖应力幅，失效时原始态表面温度更高（如350 MPa达85.4 °C，服役态49.4 °C）；研究人员指出这非因服役态散热好，而是原始态细匀组织使循环塑性分布广、内耗产热多，服役态碳化物粗化致变形局部化、分布塑性产热少，温度仅作相对损伤指标。

3.3 断口分析：两态均近表面萌生、碳化物为优先位点；原始态萌生区平滑穿晶小面、扩展区均匀平面、终断韧性过载；服役态粗化碳化物或簇脱落/开裂直接成源，多微裂，扩展面粗糙、裂纹偏折多，混合穿晶与准解理，碳化物/基体界面成空洞核，终断韧窝均匀但局部延性下降，表明未改表面主导机制但增强碳化物与晶界缺陷作用。

3.4 EBSD表征：IPF示服役态取向破碎更强，KAM与GND显示服役态局部错配更高（300 MPa平均KAM 2.0° vs 原始1.3°），与寿命反相关（服役态~5×10⁷周 vs 原始10⁹周）；Ramberg-Osgood换算出服役态循环屈服强度332.5→268 MPa，300 MPa下循环塑变幅0.36%为原始0.08%的4.5倍；碳化物面积分数7.9%→17.9%且沿界聚集，Ostwald熟化致应力集中。

3.5 XRD表征：服役后渗碳体峰增强、出现Cr₂₃C₆迹象，铁素体晶格常数下降推得碳过饱和度0.22→0.08 wt.%；晶胞尺寸因亚晶化细化，II类微应力松弛；TC{110}升高，表明碳耗尽降畸变阻力、滑移集中于{110}<111>，织构更强、位错滑移更早集中。

3.6 EBSD-RVE模拟：同域RVE中渗碳体面积分数局部23.2%→41.2%；界面峰值von Mises相近（554.9 vs 548.0 MPa）但名义应力下降，K_t由1.070升至更高，量化出服役态碳化物/基体局部应力集中加剧，为实验寿命下降提供微力学证据。

讨论与结论翻译：研究人员讨论指出，280,000 h/540 °C服役通过Ostwald熟化使碳化物体积分数翻倍、沿原奥氏体/板条界粗化聚集，铁素体碳过饱和度大幅下降，II类微应力松弛与TC{110}织构增强共同降低循环屈服强度与均匀塑变容量，迫使应变集中于碳化物/基体界面与退化晶界；EBSD的KAM/GND与RVE的K_t提升在跨尺度上一致解释VHCF抗力劣化。结论为：长期高温服役未改变10H2M钢表面主导的疲劳裂纹萌生机制，但碳化物粗化与晶界缺陷作用强化，局部应力集中系数升高、循环塑变局部化加剧，致使千兆周域疲劳抗力显著下降；XRD确认的碳析出序列与晶体学松弛、EBSD-RVE跨尺度关联可为在役火电厚壁件延寿与完整性评定提供依据。