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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：時間：2023-12-19 16:28:20 瀏覽：3966次

背景簡介

塑性變形被認為是材料在循環載荷作用下損壞的主要原因，即在表面形成駐留滑移帶的侵入和擠壓導致疲勞裂紋萌生（I階段），然后是裂紋擴展（II階段）。而對于超高周（>10⁷周次）的疲勞，由于應力幅度低，表面損傷可以忽略不計。隨著疲勞壽命的增加或施加應力幅的減小，裂紋萌生位置可以從表面移動到次表面。通常，疲勞裂紋萌生始于次表面缺陷或引起應力集中的部位，如夾雜物、氣孔和微觀結構不均勻的位置。對于高強度鋼，裂紋萌生的特征通常是次表面“魚眼”，該區域在斷裂表面下具有較細晶粒的微觀結構，因此被稱為“細晶區”（FGA）。目前已經有三種機制被提出來解釋這一現象，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化模型。然而，FGA的形成是裂紋擴展的先決條件還是結果，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，應保證表面或次表面缺陷處的應力集中應足夠低，以至于在循環載荷期間不會形成駐留滑移帶。最近，一種漸進式逐步增加載荷的試驗（PSLIT）方法被用來研究奧氏體鋼的疲勞損傷和裂紋萌生。疲勞試驗從低應力水平開始，直到達到高于10⁸周次循環步長，或在超高周疲勞（VHCF）狀態下。第二步以10MPa為間隔開始遞增加載，并保持相同的循環步長，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）截面切割技術和電子通道襯度成像（ECCI）技術聯用研究了FGA區域中的疲勞損傷和裂紋萌生行為。結合位錯塑性理論和斷裂力學，提出了一種更好地理解基體中FGA形成的機理。

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，與其他文獻中報道的相類似；另一種裂紋萌生位置由三個區域組成，如圖1c所示。區域A類似FGA，如圖1d所示。區域B中具有小刻面斷裂的特征，而區域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新的觀察結果。（圖1）

圖1 斷裂形貌分析：(a) 試樣3經過6次循環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經過5次循環加載步驟的疲勞裂紋萌生位置，壽命為8.74×108，(d) 裂紋萌生位置區域A的放大，(e) 區域B的放大，(f) 區域B和C的放大。

（2）如圖2a所示，在試樣7的斷裂面3個區域交界處進行了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晶粒，而且在C區形成了兩個小裂紋，如圖3b所示。然而在斷裂面B區域下沒有觀察到細晶粒，在A區域下方更深的層處形成了細/納米晶粒，如圖2b和2c所示。在試樣3的斷裂面A區域附近可以觀察到細晶粒和小裂紋，而在B區域沒有形成細晶粒，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區域之間的FIB溝槽；(c) 試樣7斷裂面B和A區域之間的FIB溝槽；(d) 試樣3斷裂面A和B區域之間的FIB溝槽。

（3）圖3為試樣3和7的FGA斷裂面下的細晶區域。對于樣品7，在區域A和區域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為較小晶粒（圖3a、3b）。在裂紋源A區域中部附近（圖3b、3c），仍可觀察到厚度約為1 μm的納米/細晶粒層，表明裂紋原點具有細晶結構。對于試樣3，裂紋原點附近的納米/細晶粒層是有限的，如圖3d所示。（圖3）

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

（4）圖4a和4b顯示了在低角度晶界附近的應變局部化和較多的微小裂紋，而且沒有觀察到駐留滑移帶，而納米晶對裂紋擴展的抵抗力很小，這意味著一旦形成小裂縫，裂紋就會迅速擴展。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。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的一些裂縫和小孔相對應。（圖4）

圖4 疲勞損傷和裂紋萌生：(a) 試樣3中的應變局部化和裂紋萌生；(b) 在試樣7中形成的微小裂紋；(c) 細晶區中的裂紋擴展；(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制。如圖5a所示，多晶材料中的非均質塑性變形會導致應力/應變局域化的形成，尤其是在晶界或晶界的三重結點處。然后位錯滑移帶之間的交叉導致在應力集中區域形成位錯子單元，子單元的大小從晶粒邊界向晶粒內部沿梯度變化，形成晶粒破碎（圖5b）。晶粒完全碎裂成位錯子單元后，其邊界變成了低角度晶界，且晶粒尺寸隨著持續的循環加載而變小（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點處產生，一旦該裂紋達到第二階段裂紋擴展的應力強度因子閾值，就會形成裂紋源。（圖5）

圖5 次表面裂紋源的形成示意圖：(a) 應力/應變局部化的形成；(b) 形成位錯子單元和晶粒破碎；(c) 晶粒破碎完成；(d) FGA區域開始出現裂紋。

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