疲勞是指材料或構件在長期交變載荷持續(xù)作用下產生裂紋，直至材料失效或斷裂的現象。據不完全統(tǒng)計,因交變載荷引起的疲勞破壞占機械失效總數的95%[1-2]。321奧氏體不銹鋼具有良好的抗氧化性、耐腐蝕性和耐熱性，被廣泛應用于化學和核電行業(yè)。奧氏體不銹鋼的化學成分、晶粒度、應變以及溫度等因素對其低周疲勞壽命的影響極為關鍵，但國內外均缺乏系統(tǒng)性研究。

添加氮元素能夠延長奧氏體不銹鋼的疲勞壽命[3]。何國求等[4]對316L和316LN不銹鋼進行了單軸拉-壓低周疲勞試驗，發(fā)現間隙氮原子固溶強化增大了不銹鋼的單軸疲勞等效應力幅值，增強了不銹鋼單軸拉-壓疲勞初期硬化后的軟化程度，加快了軟化速率，延長了不銹鋼的單軸拉-壓低周疲勞壽命，固溶氮原子對單軸疲勞高密度位錯結構的形成具有明顯的延緩和抑制作用。

低周疲勞試驗中，高循環(huán)應力條件下奧氏體不銹鋼經過變形易形成馬氏體[5-6]，MYTHILI等[7]對316不銹鋼進行研究，通過額外添加鈦元素與碳元素，使其結合成為鈦的碳化物，增大了固溶體中的脫碳傾向，從而降低了奧氏體的穩(wěn)定性，促進了馬氏體轉化，馬氏體的形成又降低了奧氏體不銹鋼裂紋生長速率，使其發(fā)生迅速硬化現象，從而影響奧氏體不銹鋼的疲勞壽命。

奧氏體不銹鋼中碳元素質量分數會影響形變馬氏體的形成，間接影響321不銹鋼的低周疲勞壽命。為了深入研究碳元素質量分數對奧氏體不銹鋼疲勞性能的影響規(guī)律，筆者選擇不同碳元素質量分數的S321和S321H奧氏體不銹鋼，在一系列應變幅值下對材料進行等軸低周疲勞試驗，對比分析了碳元素質量分數對奧氏體不銹鋼低周疲勞壽命的影響規(guī)律，以尋求進口材料國產化的可行性。

1. 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗選用S321及S321H奧氏體不銹鋼板的化學成分如表1所示。

取4個應變幅值（0.9%，0.7%，0.5%，0.4%），在每一個應變幅值下分別取3根試樣進行室溫低周疲勞試驗，分別測定其達到失效時的循環(huán)周次。

將兩種不銹鋼材料制成室溫及高溫標準低周疲勞試樣，試樣尺寸如圖1，2所示。室溫試樣標距段長度為30 mm，標距段直徑為10 mm，總長度為111 mm。高溫試樣標距段長度為21 mm，標距段直徑為7 mm，夾持部分采用螺紋配合。

圖 1 室溫標準低周疲勞試樣尺寸示意

圖 2 標準低周疲勞試樣尺寸示意

1.2 試驗方法

低周疲勞試驗在拉扭復合疲勞試驗機上進行，采用軸向拉-壓加載方式，以加裝引伸計控制應變幅值的方式進行試驗。其中，應變比R=－1，加載波形為三角波，應變速率控制為6%/min。試驗環(huán)境為室溫靜態(tài)空氣介質，溫度為20 ℃，相對濕度為40%。高溫試驗環(huán)境為爐溫650 ℃，熱電偶控溫。

在應變幅值為0.4%，0.5%，0.7%，0.9%下對兩種不同碳元素質量分數的材料疲勞壽命曲線和循環(huán)應力響應曲線進行對比。在室溫下，利用X射線衍射（XRD）儀分析試樣中形變馬氏體含量（體積分數，下同），利用光學顯微鏡和掃描電鏡（SEM）觀察試樣斷口的微觀形貌。

2. 試驗結果

2.1 疲勞壽命

S321H和S321鋼低周疲勞壽命測試結果如表2所示。由表2可知：對單一材料來說，總應變幅值越大，材料的疲勞壽命越短，且隨著應變幅值的增大，材料疲勞壽命明顯縮短；對比S321和S321H鋼，在相同的應變幅值下，S321H鋼的低周疲勞壽命均長于S321鋼；當總應變幅值大于0.5%時，S321鋼的塑性應變幅值和等效應力幅值均大于S321H鋼；當總應變幅值為0.4%時，S321鋼的塑性應變幅值和等效應力幅值小于S321H鋼。