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奧氏體不銹鋼在超高周疲勞過(guò)程中的疲勞損傷和裂紋萌生研究
來(lái)源: 時(shí)間:2023-12-19 16:28:20 瀏覽:2297次

背景簡(jiǎn)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(duì)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(duì)于高強(qiáng)度鋼,裂紋萌生的特征通常是次表面“魚(yú)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(chēng)為“細(xì)晶區(qū)”(FGA)。目前已經(jīng)有三種機(jī)制被提出來(lái)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(lái)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(kāi)始,直到達(dá)到高于108周次循環(huán)步長(zhǎng),或在超高周疲勞(VHCF)狀態(tài)下。第二步以10MPa為間隔開(kāi)始遞增加載,并保持相同的循環(huán)步長(zhǎng),直到試樣失效。通過(guò)這種方法,獲得了基體中FGA無(wú)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(guò)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(guò)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(méi)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(méi)有形成細(xì)晶粒,如圖2d所示。在所有這些橫截面中,都無(wú)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(duì)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(duì)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(méi)有觀察到駐留滑移帶,而納米晶對(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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(kāi)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)

圖5 次表面裂紋源的形成示意圖:(a) 應(yīng)力/應(yīng)變局部化的形成;(b) 形成位錯(cuò)子單元和晶粒破碎;(c) 晶粒破碎完成;(d) FGA區(qū)域開(kāi)始出現(xiàn)裂紋。

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文字是人類(lèi)用符號(hào)記錄表達(dá)信息以傳之久遠(yuǎn)的方式和工具。現(xiàn)代文字大多是記錄語(yǔ)言的工具。人類(lèi)往往先有口頭的語(yǔ)言后產(chǎn)生書(shū)面文字,很多小語(yǔ)種,有語(yǔ)言但沒(méi)有文字。文字的不同體現(xiàn)了國(guó)家和民族的書(shū)面表達(dá)的方式和思維不同。文字使人類(lèi)進(jìn)入有歷史記錄的文明社會(huì)。
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