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北京交大《JMST》：先進(jìn)貝氏體鋼高周/超高周疲勞裂紋萌生機(jī)制

2022-05-16 14:22:19 作者：材料科學(xué)與工程來(lái)源：材料科學(xué)與工程分享至：

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本文針對(duì)先進(jìn)貝氏體鋼高周/超高周疲勞（HCF/VHCF）階段內(nèi)部組織疲勞裂紋萌生（也被稱為“非夾雜物起裂，NIICI”）的微觀機(jī)制進(jìn)行初步研究，基于疲勞損傷精準(zhǔn)定位和多尺度表征技術(shù)，闡明了內(nèi)部組織疲勞裂紋的萌生機(jī)制、細(xì)晶層的形成機(jī)理和殘余奧氏體在裂紋萌生中的作用。論文發(fā)現(xiàn)貝氏體鋼內(nèi)部“非夾雜起裂”并非單一情形的損傷機(jī)制，而是4種情形的競(jìng)爭(zhēng)或耦合，澄清了關(guān)于細(xì)晶層形成階段及作用的爭(zhēng)議，揭示了殘余奧氏體在疲勞裂紋萌生階段的循環(huán)塑性變形機(jī)制及其作用機(jī)理。相關(guān)工作以“Mechanism of subsurface microstructural fatigue crack initiation during high and very-high cycle fatigue of advanced bainitic steels”為題，發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology。

背景介紹

隨著我國(guó)軌道交通、航空航天的快速發(fā)展，一些結(jié)構(gòu)所要求設(shè)計(jì)的疲勞壽命已經(jīng)超過(guò)108周次，超高周疲勞（Very High Cycle Fatigue, VHCF）問題成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。研究表明鋼的超高周疲勞壽命90%以上消耗在裂紋萌生和初期擴(kuò)展階段，并且受夾雜物和顯微組織等內(nèi)部因素主導(dǎo)。因此研究超高周疲勞裂紋萌生機(jī)理、探明超高周疲勞損傷的易感基因，對(duì)于統(tǒng)籌優(yōu)化材料冶金加工工藝至關(guān)重要。雖然有學(xué)者提出了多個(gè)夾雜物（缺陷）致裂的微觀機(jī)理模型，但是對(duì)于多尺度、亞穩(wěn)、多相組織的超高周疲勞損傷機(jī)制還不完全清楚?；诖耍疚幕谄趽p傷精準(zhǔn)定位和多尺度精細(xì)表征技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部組織小裂紋與微觀各相交互作用的過(guò)程推演，揭示了先進(jìn)貝氏體鋼高周/超高周疲勞階段內(nèi)部組織裂紋萌生的微觀機(jī)制。

本文亮點(diǎn)

（1）發(fā)現(xiàn)貝氏體鋼內(nèi)部“非夾雜起裂”并非單一情形的損傷機(jī)制，而是4種情形的競(jìng)爭(zhēng)或耦合，即包括2種穿晶起裂以及2種晶間起裂的情形，這取決于鋼的微觀組織特征。

（2）發(fā)現(xiàn)細(xì)晶層并不是在所有起裂情形下都存在，這也是細(xì)晶層不連續(xù)分布的原因之一；而細(xì)晶層的形成主要?dú)w因于局部塑性變形引起的貝氏體鐵素體板條碎化或由于滑移帶與晶界的反復(fù)作用誘發(fā)的局部連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（cDRX）。

（3）發(fā)現(xiàn)殘余奧氏體對(duì)于觸發(fā)不同情形的“非夾雜起裂”損傷機(jī)制具有決定性的影響，這與殘余奧氏體的形貌、空間分布和穩(wěn)定性直接相關(guān)。

圖文解析

本文通過(guò)真空冶煉（U-BAT）、真空冶煉+電渣重熔（E-BAT）冶煉工藝結(jié)合貝氏體等溫淬火工藝調(diào)控貝氏體鋼中顯微組織和夾雜物，在HCF/VHCF階段（106~108周次）疲勞裂紋主要從內(nèi)部基體組織處起裂，如圖1所示，并形成一個(gè)明顯的裂紋萌生特征區(qū)（ICA），如圖2所示。通過(guò)對(duì)萌生特征區(qū)表面形貌的觀察，結(jié)合聚焦離子束（FIB）技術(shù)與TEM、STEM和TKD技術(shù)，獲取裂紋萌生特征區(qū)局部顯微組織演化、相變和晶體學(xué)的詳細(xì)信息，以推演疲勞裂紋萌生的微觀機(jī)制。

圖1 先進(jìn)貝氏體鋼的S-N曲線及裂紋萌生形式統(tǒng)計(jì)

圖2 （a）貝氏體鋼的內(nèi)部“非夾雜起裂”斷口形貌的SEM圖，ICA：裂紋萌生特征區(qū)，F(xiàn)iE：魚眼區(qū)，Sur：表面；（b）micro-facet放大圖；（c）ICA區(qū)的3D形貌圖（d）facet參量（E-BAT試樣，σa =745 MPa， Nf = 1.69 × 106）。

研究表明，貝氏體鋼中“非夾雜物起裂”可能存在的4種情形，包括2種穿晶起裂以及2種晶間起裂的情形；而“非夾雜物起裂”并非單一情形的損傷機(jī)制，而是上述4種情形的競(jìng)爭(zhēng)或耦合，這取決于鋼中顯微組織的特征。

（i）第1種穿晶起裂情形。該情形對(duì)應(yīng)的組織特征是亞微米殘奧板條+貝氏體鐵素體板條。在循環(huán)載荷作用下，軟的殘奧中滑移系率先被激活，導(dǎo)致殘奧中形成層錯(cuò)或發(fā)生切應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變；在這種情況下，相鄰的貝氏體鐵素體必須承受額外的應(yīng)力來(lái)維持力的平衡；亞微米級(jí)殘奧的循環(huán)硬化影響了殘奧與貝氏體鐵素體之間的應(yīng)力/應(yīng)變分配，促進(jìn)塑性變形在貝氏體鐵素體中積累，導(dǎo)致貝氏體鐵素體板條的碎化，最終由于塑性耗盡并產(chǎn)生微裂紋，該過(guò)程伴隨著細(xì)晶化，如圖3所示。

圖3 第1種穿晶起裂情形（伴隨著細(xì)晶層的形成）；本圖為摘要圖，圖（a）、（b）和（c）分別見原文中圖13、10和12

（ii）第2種穿晶起裂情形。該情形對(duì)應(yīng)的組織特征是納米級(jí)殘奧薄膜+貝氏體鐵素體板條。由于納米級(jí)膜狀殘奧不易發(fā)生塑性變形，貝氏體鐵素體板條中具有擇優(yōu)取向的滑移系在最大切應(yīng)力的驅(qū)動(dòng)下率先滑移，并形成駐留滑移帶，隨著循環(huán)周次的增加，滑移帶內(nèi)位錯(cuò)重組，并導(dǎo)致滑移帶內(nèi)位錯(cuò)墻坍塌，最終在滑移帶內(nèi)形成空洞和微裂紋。該過(guò)程由切應(yīng)力主導(dǎo)，損傷集中在滑移帶內(nèi)，微裂紋周圍沒有細(xì)晶形成，如圖4所示。

圖4 第2種穿晶起裂情形（無(wú)細(xì)晶層形成）；本圖為摘要圖，圖（a）、（b）和（c）分別見原文中圖13、11和12

（iii）第1種晶間起裂情形。在循環(huán)載荷作用下，貝氏體鐵素體或殘奧中會(huì)產(chǎn)生滑移帶，如果沒有很強(qiáng)的組織障礙，滑移帶就會(huì)直接沖擊原奧氏體（PAG）晶界；而滑移帶與PAG界面相互作用的結(jié)果取決于相鄰PAG的微觀結(jié)構(gòu)特征，如果PAG界面處存在塊狀M/A島時(shí)，由于高碳馬氏體的脆性特征，晶間裂紋將以解理開裂的方式萌生，此時(shí)沒有細(xì)晶形成，如圖5所示。

圖5 第1種晶間起裂情形（無(wú)細(xì)晶形成），本圖為摘要圖，圖（a）、（b）和（c）分別見原文中圖13、7和12

（iv）第2種晶間起裂情形是當(dāng)PAG界面處存在韌性相（如貝氏體鐵素體）時(shí)，在裂紋萌生前需要更多的循環(huán)在PAG界面處累積更多的塑性變形；局部體積上滑移帶和PAG相互作用會(huì)導(dǎo)致局部連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（cDRX）；一旦PAG界面應(yīng)力集中導(dǎo)致晶間裂紋萌生，而細(xì)晶區(qū)局部裂紋擴(kuò)展閾值（Kth, local）降低，促進(jìn)小裂紋的形成和擴(kuò)展。在這種情況下，至少可以在斷口的一側(cè)沿PAG界面觀察到細(xì)晶層，如圖6所示。

圖6 第2種晶間起裂的情形（伴隨著細(xì)晶的形成），本圖為摘要圖，圖（a）、（b）和（c）分別見原文中圖13、9和12

總結(jié)與展望

本文基于疲勞損傷精準(zhǔn)定位和多尺度表征技術(shù)，探討了先進(jìn)貝氏體鋼高周/超高周疲勞（HCF/VHCF）階段內(nèi)部組織疲勞裂紋萌生的微觀機(jī)制，相關(guān)成果對(duì)于先進(jìn)貝氏體鋼的組織設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。同時(shí)，本文發(fā)現(xiàn)了顯微組織和夾雜物對(duì)內(nèi)部疲勞裂紋萌生形式的競(jìng)爭(zhēng)影響行為，這種競(jìng)爭(zhēng)作用可能與夾雜物的尺寸與類型、組織的特征、以及組織-夾雜物的交互作用相關(guān)，這還需進(jìn)一步的研究。

作者介紹

高古輝，博士，北京交通大學(xué)副研究員，長(zhǎng)期從事先進(jìn)鋼鐵材料的研究，主要研究方向包括：貝氏體相變及組織調(diào)控；鋼的疲勞、磨損性能；貝氏體鋼的工程應(yīng)用。近年來(lái)，主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金、面上項(xiàng)目、鋼鐵聯(lián)合基金，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、任務(wù)等國(guó)家、省部級(jí)科研項(xiàng)目8項(xiàng)。在Acta Mater.、Scr. Mater.、J Mater. Sci. Tech. 知名國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇；授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利13項(xiàng)；在“中國(guó)鋼鐵年會(huì)”等國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議上做邀請(qǐng)報(bào)告和分會(huì)報(bào)告10余次。獲2018年中國(guó)冶金科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)（3/10）、“Journal of Materials Science & Technology優(yōu)秀論文獎(jiǎng)”，2019年獲評(píng)北京交通大學(xué)優(yōu)秀青年教師。