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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:5311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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全部 3小時前 四川
文字是人類用符號記錄表達信息以傳之久遠的方式和工具。現代文字大多是記錄語言的工具。人類往往先有口頭的語言后產生書面文字,很多小語種,有語言但沒有文字。文字的不同體現了國家和民族的書面表達的方式和思維不同。文字使人類進入有歷史記錄的文明社會。
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