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奧氏體不銹鋼在超高周疲勞過程中的疲勞損傷和裂紋萌生研究

來源：時(shí)間：2023-12-19 16:28:20 瀏覽：3568次

背景簡介

塑性變形被認(rèn)為是材料在循環(huán)載荷作用下?lián)p壞的主要原因，即在表面形成駐留滑移帶的侵入和擠壓導(dǎo)致疲勞裂紋萌生（I階段），然后是裂紋擴(kuò)展（II階段）。而對于超高周（>10⁷周次）的疲勞，由于應(yīng)力幅度低，表面損傷可以忽略不計(jì)。隨著疲勞壽命的增加或施加應(yīng)力幅的減小，裂紋萌生位置可以從表面移動(dòng)到次表面。通常，疲勞裂紋萌生始于次表面缺陷或引起應(yīng)力集中的部位，如夾雜物、氣孔和微觀結(jié)構(gòu)不均勻的位置。對于高強(qiáng)度鋼，裂紋萌生的特征通常是次表面“魚眼”，該區(qū)域在斷裂表面下具有較細(xì)晶粒的微觀結(jié)構(gòu)，因此被稱為“細(xì)晶區(qū)”（FGA）。目前已經(jīng)有三種機(jī)制被提出來解釋這一現(xiàn)象，包括多邊形化模型和裂紋面相互作用的Numerous Cyclic Pressing（NCP）模型，以及基于局部塑性的局部晶粒細(xì)化模型。然而，F(xiàn)GA的形成是裂紋擴(kuò)展的先決條件還是結(jié)果，目前仍不完全清楚。

為了研究在超高周疲勞期間材料的疲勞損傷性質(zhì)，應(yīng)保證表面或次表面缺陷處的應(yīng)力集中應(yīng)足夠低，以至于在循環(huán)載荷期間不會(huì)形成駐留滑移帶。最近，一種漸進(jìn)式逐步增加載荷的試驗(yàn)（PSLIT）方法被用來研究奧氏體鋼的疲勞損傷和裂紋萌生。疲勞試驗(yàn)從低應(yīng)力水平開始，直到達(dá)到高于10⁸周次循環(huán)步長，或在超高周疲勞（VHCF）狀態(tài)下。第二步以10MPa為間隔開始遞增加載，并保持相同的循環(huán)步長，直到試樣失效。通過這種方法，獲得了基體中FGA無任何缺陷的亞表面疲勞裂紋萌生源，與之前報(bào)道的帶有夾雜物的裂紋起源不同。本文使用聚焦離子束（FIB）截面切割技術(shù)和電子通道襯度成像（ECCI）技術(shù)聯(lián)用研究了FGA區(qū)域中的疲勞損傷和裂紋萌生行為。結(jié)合位錯(cuò)塑性理論和斷裂力學(xué)，提出了一種更好地理解基體中FGA形成的機(jī)理。

成果介紹

（1）在基體次表面觀察到兩種類型的疲勞裂紋萌生特征。一種是單一疲勞裂紋萌生，具有FGA含小孔隙或裂紋的粗糙表面的特征，如圖1a和b所示，與其他文獻(xiàn)中報(bào)道的相類似；另一種裂紋萌生位置由三個(gè)區(qū)域組成，如圖1c所示。區(qū)域A類似FGA，如圖1d所示。區(qū)域B中具有小刻面斷裂的特征，而區(qū)域C靠近表面且特征與FGA類似，如圖1e和f所示，這兩種裂紋起源是一個(gè)新的觀察結(jié)果。（圖1）

圖1 斷裂形貌分析：(a) 試樣3經(jīng)過6次循環(huán)加載步驟的疲勞裂紋萌生位置，壽命為5.36×109，(b) 裂紋萌生位置的放大，(c) 試樣7經(jīng)過5次循環(huán)加載步驟的疲勞裂紋萌生位置，壽命為8.74×108，(d) 裂紋萌生位置區(qū)域A的放大，(e) 區(qū)域B的放大，(f) 區(qū)域B和C的放大。

（2）如圖2a所示，在試樣7的斷裂面3個(gè)區(qū)域交界處進(jìn)行了FIB切割。ECCI分析顯示，在斷裂面（小于1μm）下方的淺層中形成了細(xì)晶粒，而且在C區(qū)形成了兩個(gè)小裂紋，如圖3b所示。然而在斷裂面B區(qū)域下沒有觀察到細(xì)晶粒，在A區(qū)域下方更深的層處形成了細(xì)/納米晶粒，如圖2b和2c所示。在試樣3的斷裂面A區(qū)域附近可以觀察到細(xì)晶粒和小裂紋，而在B區(qū)域沒有形成細(xì)晶粒，如圖2d所示。在所有這些橫截面中，都無法觀察到亞表面夾雜物等缺陷，表明裂紋源已在基體中形成。（圖2）

圖2 FIB切割截面：(a) 試樣7斷裂面FIB整體；(b) 試樣7斷裂面C和B區(qū)域之間的FIB溝槽；(c) 試樣7斷裂面B和A區(qū)域之間的FIB溝槽；(d) 試樣3斷裂面A和B區(qū)域之間的FIB溝槽。

（3）圖3為試樣3和7的FGA斷裂面下的細(xì)晶區(qū)域。對于樣品7，在區(qū)域A和區(qū)域B之間的邊界附近形成了較厚的納米晶粒層，晶粒隨深度逐漸由納米晶變?yōu)檩^小晶粒（圖3a、3b）。在裂紋源A區(qū)域中部附近（圖3b、3c），仍可觀察到厚度約為1 μm的納米/細(xì)晶粒層，表明裂紋原點(diǎn)具有細(xì)晶結(jié)構(gòu)。對于試樣3，裂紋原點(diǎn)附近的納米/細(xì)晶粒層是有限的，如圖3d所示。（圖3）

圖3 裂紋源處斷裂面下的細(xì)晶粒層：(a) 樣品7中區(qū)域A和B邊界附近的細(xì)晶粒層；(b) 試樣7裂紋源區(qū)域A中間的細(xì)晶粒層；(c) 試樣7斷裂表面附近的細(xì)晶層EBSD圖像；(d) 試樣3區(qū)域A和B邊界附近的細(xì)晶層。

（4）圖4a和4b顯示了在低角度晶界附近的應(yīng)變局部化和較多的微小裂紋，而且沒有觀察到駐留滑移帶，而納米晶對裂紋擴(kuò)展的抵抗力很小，這意味著一旦形成小裂縫，裂紋就會(huì)迅速擴(kuò)展。如圖4c所示，可以觀察到沿低角度晶界或穿過晶粒的主裂紋路徑，鋸齒形裂紋擴(kuò)展路徑可以與在圖2中FGA上觀察到的粗糙斷裂表面相對應(yīng)。而如圖4d所示，可以觀察到許多二次裂紋，這與圖2中觀察到的斷裂面出現(xiàn)的一些裂縫和小孔相對應(yīng)。（圖4）

圖4 疲勞損傷和裂紋萌生：(a) 試樣3中的應(yīng)變局部化和裂紋萌生；(b) 在試樣7中形成的微小裂紋；(c) 細(xì)晶區(qū)中的裂紋擴(kuò)展；(d) 圖c中二次裂紋的局部放大。

（5）提出了次表面裂紋萌生的機(jī)制。如圖5a所示，多晶材料中的非均質(zhì)塑性變形會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力/應(yīng)變局域化的形成，尤其是在晶界或晶界的三重結(jié)點(diǎn)處。然后位錯(cuò)滑移帶之間的交叉導(dǎo)致在應(yīng)力集中區(qū)域形成位錯(cuò)子單元，子單元的大小從晶粒邊界向晶粒內(nèi)部沿梯度變化，形成晶粒破碎（圖5b）。晶粒完全碎裂成位錯(cuò)子單元后，其邊界變成了低角度晶界，且晶粒尺寸隨著持續(xù)的循環(huán)加載而變小（圖5c）。最后，由于局部塑性能耗盡，疲勞裂紋開始在晶界或晶界的三重結(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生，一旦該裂紋達(dá)到第二階段裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子閾值，就會(huì)形成裂紋源。（圖5）