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奥氏体不锈钢在超高周疲劳过程中的疲劳损伤和裂纹萌生研究

来源：时间：2023-12-19 16:28:20 浏览：1435次

背景简介

塑性变形被认为是材料在循环载荷作用下损坏的主要原因，即在表面形成驻留滑移带的侵入和挤压导致疲劳裂纹萌生（I阶段），然后是裂纹扩展（II阶段）。而对于超高周（>10⁷周次）的疲劳，由于应力幅度低，表面损伤可以忽略不计。随着疲劳寿命的增加或施加应力幅的减小，裂纹萌生位置可以从表面移动到次表面。通常，疲劳裂纹萌生始于次表面缺陷或引起应力集中的部位，如夹杂物、气孔和微观结构不均匀的位置。对于高强度钢，裂纹萌生的特征通常是次表面“鱼眼”，该区域在断裂表面下具有较细晶粒的微观结构，因此被称为“细晶区”（FGA）。目前已经有三种机制被提出来解释这一现象，包括多边形化模型和裂纹面相互作用的Numerous Cyclic Pressing（NCP）模型，以及基于局部塑性的局部晶粒细化模型。然而，FGA的形成是裂纹扩展的先决条件还是结果，目前仍不完全清楚。

为了研究在超高周疲劳期间材料的疲劳损伤性质，应保证表面或次表面缺陷处的应力集中应足够低，以至于在循环载荷期间不会形成驻留滑移带。最近，一种渐进式逐步增加载荷的试验（PSLIT）方法被用来研究奥氏体钢的疲劳损伤和裂纹萌生。疲劳试验从低应力水平开始，直到达到高于10⁸周次循环步长，或在超高周疲劳（VHCF）状态下。第二步以10MPa为间隔开始递增加载，并保持相同的循环步长，直到试样失效。通过这种方法，获得了基体中FGA无任何缺陷的亚表面疲劳裂纹萌生源，与之前报道的带有夹杂物的裂纹起源不同。本文使用聚焦离子束（FIB）截面切割技术和电子通道衬度成像（ECCI）技术联用研究了FGA区域中的疲劳损伤和裂纹萌生行为。结合位错塑性理论和断裂力学，提出了一种更好地理解基体中FGA形成的机理。

成果介绍

（1）在基体次表面观察到两种类型的疲劳裂纹萌生特征。一种是单一疲劳裂纹萌生，具有FGA含小孔隙或裂纹的粗糙表面的特征，如图1a和b所示，与其他文献中报道的相类似；另一种裂纹萌生位置由三个区域组成，如图1c所示。区域A类似FGA，如图1d所示。区域B中具有小刻面断裂的特征，而区域C靠近表面且特征与FGA类似，如图1e和f所示，这两种裂纹起源是一个新的观察结果。（图1）

图1 断裂形貌分析：(a) 试样3经过6次循环加载步骤的疲劳裂纹萌生位置，寿命为5.36×109，(b) 裂纹萌生位置的放大，(c) 试样7经过5次循环加载步骤的疲劳裂纹萌生位置，寿命为8.74×108，(d) 裂纹萌生位置区域A的放大，(e) 区域B的放大，(f) 区域B和C的放大。

（2）如图2a所示，在试样7的断裂面3个区域交界处进行了FIB切割。ECCI分析显示，在断裂面（小于1μm）下方的浅层中形成了细晶粒，而且在C区形成了两个小裂纹，如图3b所示。然而在断裂面B区域下没有观察到细晶粒，在A区域下方更深的层处形成了细/纳米晶粒，如图2b和2c所示。在试样3的断裂面A区域附近可以观察到细晶粒和小裂纹，而在B区域没有形成细晶粒，如图2d所示。在所有这些横截面中，都无法观察到亚表面夹杂物等缺陷，表明裂纹源已在基体中形成。（图2）

图2 FIB切割截面：(a) 试样7断裂面FIB整体；(b) 试样7断裂面C和B区域之间的FIB沟槽；(c) 试样7断裂面B和A区域之间的FIB沟槽；(d) 试样3断裂面A和B区域之间的FIB沟槽。

（3）图3为试样3和7的FGA断裂面下的细晶区域。对于样品7，在区域A和区域B之间的边界附近形成了较厚的纳米晶粒层，晶粒随深度逐渐由纳米晶变为较小晶粒（图3a、3b）。在裂纹源A区域中部附近（图3b、3c），仍可观察到厚度约为1 μm的纳米/细晶粒层，表明裂纹原点具有细晶结构。对于试样3，裂纹原点附近的纳米/细晶粒层是有限的，如图3d所示。（图3）

图3 裂纹源处断裂面下的细晶粒层：(a) 样品7中区域A和B边界附近的细晶粒层；(b) 试样7裂纹源区域A中间的细晶粒层；(c) 试样7断裂表面附近的细晶层EBSD图像；(d) 试样3区域A和B边界附近的细晶层。

（4）图4a和4b显示了在低角度晶界附近的应变局部化和较多的微小裂纹，而且没有观察到驻留滑移带，而纳米晶对裂纹扩展的抵抗力很小，这意味着一旦形成小裂缝，裂纹就会迅速扩展。如图4c所示，可以观察到沿低角度晶界或穿过晶粒的主裂纹路径，锯齿形裂纹扩展路径可以与在图2中FGA上观察到的粗糙断裂表面相对应。而如图4d所示，可以观察到许多二次裂纹，这与图2中观察到的断裂面出现的一些裂缝和小孔相对应。（图4）

图4 疲劳损伤和裂纹萌生：(a) 试样3中的应变局部化和裂纹萌生；(b) 在试样7中形成的微小裂纹；(c) 细晶区中的裂纹扩展；(d) 图c中二次裂纹的局部放大。

（5）提出了次表面裂纹萌生的机制。如图5a所示，多晶材料中的非均质塑性变形会导致应力/应变局域化的形成，尤其是在晶界或晶界的三重结点处。然后位错滑移带之间的交叉导致在应力集中区域形成位错子单元，子单元的大小从晶粒边界向晶粒内部沿梯度变化，形成晶粒破碎（图5b）。晶粒完全碎裂成位错子单元后，其边界变成了低角度晶界，且晶粒尺寸随着持续的循环加载而变小（图5c）。最后，由于局部塑性能耗尽，疲劳裂纹开始在晶界或晶界的三重结点处产生，一旦该裂纹达到第二阶段裂纹扩展的应力强度因子阈值，就会形成裂纹源。（图5）