鋼鐵材料具有易于加工、價(jià)格低廉和便于回收等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為工業(yè)生產(chǎn)中使用最為廣泛的材料。近年來(lái)，為滿(mǎn)足在高載荷環(huán)境服役的機(jī)械或零部件的輕量化需求，高強(qiáng)度鋼得到了大量的研發(fā)與應(yīng)用。馬氏體時(shí)效鋼/時(shí)效不銹鋼是一種典型的高強(qiáng)度鋼，其具有良好的強(qiáng)度與韌性/塑性匹配，目前已被用于制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和飛機(jī)起落架等?？蒲腥藛T對(duì)馬氏體時(shí)效鋼/時(shí)效不銹鋼的基本力學(xué)性能和微觀(guān)組織進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。除強(qiáng)韌性之外，高強(qiáng)馬氏體時(shí)效鋼/時(shí)效不銹鋼的疲勞性能也是影響其工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)。構(gòu)件的疲勞失效過(guò)程主要包括了疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展兩個(gè)階段。而從損傷容限設(shè)計(jì)的角度考慮，高強(qiáng)馬氏體時(shí)效鋼/時(shí)效不銹鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率是其工業(yè)應(yīng)用所關(guān)注的重要性能指標(biāo)。

     近年來(lái)，人們對(duì)于馬氏體時(shí)效鋼/ 時(shí)效不銹鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了廣泛的研究。Hussain等研究了不同熱處理馬氏體時(shí)效鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展行為，發(fā)現(xiàn)時(shí)效狀態(tài)材料的裂紋擴(kuò)展速率高于退火態(tài)和時(shí)效后退火態(tài)材料。馮家偉研究了480℃時(shí)效處理的馬氏體時(shí)效鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展行為，結(jié)果表明，隨時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率先急劇升高后逐漸降低;當(dāng)時(shí)效時(shí)間為4h時(shí)，疲勞裂紋擴(kuò)展速率達(dá)到最大值。Wang等研究發(fā)現(xiàn)CM400馬氏體時(shí)效鋼在峰時(shí)效狀態(tài)下的Paris指數(shù)值非常高，為22.8；這說(shuō)明其具有較差的抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力。Wang等發(fā)現(xiàn)不同溫度時(shí)效處理的18Ni馬氏體時(shí)效鋼的Paris指數(shù)值都在2~3之間；隨著時(shí)效溫度的升高，材料抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力增強(qiáng)。Aboumou等研究發(fā)現(xiàn)無(wú)論時(shí)效條件和溫度如何，沉淀硬化馬氏體不銹鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率在較低ΔK(應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍) 區(qū)隨應(yīng)力比增大而增加，而在高ΔK區(qū)并沒(méi)有明顯區(qū)別。

      由上可知，不同成分牌號(hào)馬氏體時(shí)效鋼/時(shí)效不銹鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率差異非常大，時(shí)效處理可以降低馬氏體時(shí)效鋼/時(shí)效不銹鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。而針對(duì)近期新研發(fā)的高鈦馬氏體時(shí)效不銹鋼，其疲勞裂紋擴(kuò)展行為隨熱處理工藝參數(shù)改變的變化規(guī)律目前還尚不明確，同時(shí)影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的主要因素也尚不清楚。鑒于此，本文選用高鈦馬氏體時(shí)效不銹鋼為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行固溶和時(shí)效處理,研究不同時(shí)效處理的高鈦馬氏體時(shí)效不銹鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展行為，以揭示時(shí)效參數(shù)改變對(duì)其疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響規(guī)律，同時(shí)分析影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的主要因素，旨在為高鈦馬氏體時(shí)效不銹鋼的工業(yè)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)為其抗疲勞裂紋擴(kuò)展組織調(diào)控提供理論指導(dǎo)。

圖2給出了不同時(shí)效處理樣品的顯微組織。從圖2中可以看出，480℃時(shí)效樣品的基體中存在密集分布的顆粒狀析出相和棒狀析出相(圖2a)，而根據(jù)前人的研究可以判定析出相為Ni₃Ti。500℃時(shí)效樣品的析出相形貌如圖2(b)所示，其基體內(nèi)同樣存在著大量且密集分布的析出相。從圖2(c)可以看出，530℃時(shí)效樣品內(nèi)部棒狀析出相的數(shù)量開(kāi)始逐漸增多,顆粒狀析出相開(kāi)始逐漸減少，析出相的分布也開(kāi)始變得稀疏。480℃時(shí)效、500℃時(shí)效和530℃時(shí)效樣品內(nèi)棒狀析出相的平均長(zhǎng)度分別約為11.5、7.9和15.9nm，平均寬度分別約為2.8、2.8和4.3nm(見(jiàn)表3)。綜上，對(duì)比不同溫度時(shí)效處理樣品的微觀(guān)組織可以發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)效溫度的升高，析出相的尺寸逐漸增大，分布逐漸變得稀疏。

疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線(xiàn)可分為3個(gè)區(qū)域：近門(mén)檻區(qū)、穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)和高速擴(kuò)展區(qū)。不同時(shí)效處理高鈦馬氏體時(shí)效不銹鋼的疲勞裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)如圖3(a)所示。從圖3(a)可以看出，530℃ 時(shí)效樣品的裂紋擴(kuò)展速率要低于500℃時(shí)效和480℃時(shí)效樣品，500℃時(shí)效和480℃時(shí)效樣品的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線(xiàn)相互交叉，在ΔK較大時(shí)，500℃時(shí)效樣品的疲勞裂紋擴(kuò)展速率要低于480℃時(shí)效樣品。

 1961年，Paris根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)da/dN與ΔK之間的經(jīng)驗(yàn)公式，即Paris公式：

     式中：C和m均為描述疲勞裂紋擴(kuò)展性能的材料常數(shù)，分別被稱(chēng)為Paris 系數(shù)和指數(shù)。Paris公式可以很好地描述材料疲勞裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段的一般規(guī)律，通過(guò)積分能夠計(jì)算出疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。圖3(b)和3(c)分別給出了時(shí)效溫度對(duì)C和m的影響規(guī)律，從圖中可以看出隨時(shí)效溫度升高C值逐漸增大，m值則逐漸減小。根據(jù)Paris公式，530℃時(shí)效、500℃時(shí)效和480℃時(shí)效樣品的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線(xiàn)可分別表示為：

     不同時(shí)效處理的高鈦馬氏體時(shí)效不銹鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命( ΔK由14MPa·m^0.5增大至25MPa·m^0.5)與屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖3(d) 所示。從圖3(d)可以看出，疲勞裂紋擴(kuò)展壽命呈現(xiàn)出隨屈服強(qiáng)度增加而降低的趨勢(shì)。

     圖4給出了不同時(shí)效處理的高鈦馬氏體時(shí)效不銹鋼在ΔK為15MPa·m^0.5 處的斷口形貌。對(duì)480℃時(shí)效樣品而言，其斷口表面主要包括了河流花樣和解理面(圖4a)；以上說(shuō)明,對(duì)480℃時(shí)效樣品來(lái)說(shuō)，其疲勞裂紋擴(kuò)展主要有兩種機(jī)理：鈍化-復(fù)銳和微區(qū)解理。500℃時(shí)效樣品在ΔK為15MPa·m^0.5 處的疲勞裂紋擴(kuò)展斷口形貌如圖4(b)所示，從圖中可以看出其斷口表面同樣主要由河流花樣和解理面組成，只是單個(gè)解理面的尺寸會(huì)相對(duì)較小。而對(duì)530℃時(shí)效樣品來(lái)說(shuō)，其斷口表面則全部由河流花樣組成,并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)解理面(圖4c)。當(dāng)材料的疲勞裂紋以微區(qū)解理的方式擴(kuò)展時(shí),其疲勞裂紋擴(kuò)展速率會(huì)大幅提高。因此，具有相對(duì)較大解理面的480℃時(shí)效樣品在ΔK為15MPa·m^0.5時(shí)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率會(huì)相對(duì)較快。

     圖5給出了不同時(shí)效處理的高鈦馬氏體時(shí)效不銹鋼在ΔK為25MPa·m0.5 處的斷口形貌。從圖4(a)和5(a) 可以看出,隨著裂紋擴(kuò)展(ΔK的增大)，480℃時(shí)效樣品斷口表面的河流花樣逐漸消失，解理面尺寸逐漸增大。而對(duì)500℃時(shí)效樣品而言，其斷口表面還是由河流花樣和解理面組成(圖5b),而解理面的尺寸同樣是隨ΔK的增大而增大(圖4b和5b)。530℃時(shí)效樣品的疲勞裂紋擴(kuò)展形貌如圖5(c)所示，可以看出，ΔK從15MPa·m^0.5增大到25 MPa·m^0.5后，530℃時(shí)效樣品的斷口形貌并沒(méi)有發(fā)生變化，還是由河流花樣組成,且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)解理面。

疲勞裂紋在擴(kuò)展時(shí),裂紋尖端存在著一個(gè)塑性區(qū),在外加應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍為ΔK時(shí)，裂紋尖端的循環(huán)加載塑性區(qū)尺寸r_c可以用式(5)進(jìn)行計(jì)算：

 式中：σ_y為屈服強(qiáng)度。從式(5)可以看出，材料屈服強(qiáng)度相對(duì)較低時(shí),其裂紋尖端的循環(huán)加載塑性區(qū)尺寸會(huì)相對(duì)較大。塑性區(qū)尺寸越大越容易緩解裂紋尖端的應(yīng)力集中，進(jìn)而在一定程度上延緩裂紋擴(kuò)展；此外，塑性區(qū)尺寸越大也越容易發(fā)生塑性誘發(fā)裂紋閉合效應(yīng)，進(jìn)而也能在一定程度上抑制疲勞裂紋擴(kuò)展。

 由此可以判斷，較高溫度時(shí)效處理高鈦馬氏體時(shí)效不銹鋼疲勞裂紋擴(kuò)展速率相對(duì)較慢的一個(gè)主要原因是其具有較低的屈服強(qiáng)度和較大的裂紋尖端的循環(huán)加載塑性區(qū)尺寸(圖6)。

 除宏觀(guān)屈服強(qiáng)度之外，高鈦馬氏體時(shí)效不銹鋼內(nèi)的析出相分布也會(huì)影響疲勞裂紋擴(kuò)展。在疲勞裂紋擴(kuò)展的過(guò)程中，裂紋尖端會(huì)向前發(fā)射位錯(cuò)。對(duì)較低溫度時(shí)效處理的高鈦馬氏體時(shí)效不銹鋼而言，其基體內(nèi)部存在著密集分布的析出相；在這種情況下，裂紋尖端發(fā)射的位錯(cuò)會(huì)在析出相附近塞積、纏結(jié)，進(jìn)而形成大量微孔(圖6a)。微孔形成后，其會(huì)通過(guò)發(fā)射位錯(cuò)來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)大，進(jìn)而與其周?chē)奈⒖紫噙B接。而密集分布的析出相，會(huì)抑制微孔向外發(fā)射位錯(cuò)，進(jìn)而抑制微孔的長(zhǎng)大與連接。在此情況下，較低溫度時(shí)效處理的高鈦馬氏體時(shí)效不銹鋼內(nèi)部就會(huì)形成許多尺寸很小的孔洞；當(dāng)孔洞數(shù)量增長(zhǎng)到一定程度時(shí)，由于應(yīng)力集中程度加劇，裂紋尖端就會(huì)通過(guò)解理斷裂的方式與微孔洞相連接而發(fā)生擴(kuò)展，進(jìn)而在斷口表面形成大的解理面。而對(duì)較高溫度時(shí)效處理的高鈦馬氏體時(shí)效不銹鋼而言，其基體內(nèi)部析出相尺寸相對(duì)較大、析出相分布相對(duì)稀疏;在此情況下，裂紋尖端所發(fā)射的位錯(cuò)在遇到析出相的阻礙時(shí)，一部分位錯(cuò)會(huì)繞過(guò)析出相,這會(huì)降低位錯(cuò)纏結(jié)的可能性，此時(shí)形成微孔的數(shù)量會(huì)相對(duì)較少(圖6b) 。另外，由于析出相分布相對(duì)稀疏，微孔形成后可以通過(guò)發(fā)射位錯(cuò)來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)大，并與其周?chē)奈⒖紫噙B接而形成尺寸較大的孔洞(圖6b)。當(dāng)孔洞尺寸增大到一定程度時(shí)，裂紋尖端還是會(huì)通過(guò)解理斷裂的方式與孔洞相連接而發(fā)生擴(kuò)展，只不過(guò)此時(shí)解理區(qū)域的面積會(huì)小很多，以致于在斷口表面很難發(fā)現(xiàn)解理平面的出現(xiàn)。由上可知，較高溫度時(shí)效處理高鈦馬氏體時(shí)效不銹鋼疲勞裂紋擴(kuò)展速率相對(duì)較慢的另一個(gè)主要原因是其析出相分布較稀疏，裂紋尖端附近萌生的微孔可以先長(zhǎng)大、聚合，然后再與裂紋尖端相連接而發(fā)生擴(kuò)展；這能抑制疲勞裂紋以微區(qū)解理的方式擴(kuò)展，進(jìn)而降低疲勞裂紋擴(kuò)展速率。

 綜上所述,影響高鈦馬氏體時(shí)效不銹鋼疲勞裂紋擴(kuò)展速率的主要因素是屈服強(qiáng)度和析出相分布，降低屈服強(qiáng)度和析出相分布密度可以降低疲勞裂紋擴(kuò)展速率。高鈦馬氏體時(shí)效不銹鋼的屈服強(qiáng)度與析出相特征參數(shù)之間存在式(6)所示關(guān)系：

 式中：σ_y和σ₀分別為時(shí)效材料和未時(shí)效材料的屈服強(qiáng)度；K為材料常數(shù)；d和λ分別為析出相的等效球直徑和間距；b為柏氏矢量。對(duì)馬氏體時(shí)效鋼而言,其基體內(nèi)的析出相尺寸和間距是同時(shí)增大的。而從式(6)可以看出,相比于析出相尺寸，析出相的間距,即析出相的分布對(duì)高鈦馬氏體時(shí)效不銹鋼屈服強(qiáng)度的影響更大。當(dāng)析出相分布變得稀疏時(shí)，高鈦馬氏體時(shí)效不銹鋼的屈服強(qiáng)度就會(huì)降低。因此，基于以上分析，可以將影響高鈦馬氏體時(shí)效不銹鋼疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素歸結(jié)為析出相分布，降低析出相分布密度能減緩高鈦馬氏體時(shí)效不銹鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展。

    1) 不同時(shí)效處理的高鈦馬氏體時(shí)效不銹鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命呈現(xiàn)出隨屈服強(qiáng)度增加而降低的趨勢(shì);高強(qiáng)度樣品的疲勞裂紋擴(kuò)展斷口表面由河流花樣和解理面組成,而低強(qiáng)度樣品的斷口表面則全部由河流花樣組成；

     2) 影響高鈦馬氏體時(shí)效不銹鋼疲勞裂紋擴(kuò)展速率的關(guān)鍵因素是析出相分布；降低析出相分布密度可以降低屈服強(qiáng)度，進(jìn)而有益于裂尖應(yīng)力集中的緩解和塑性誘發(fā)裂紋閉合效應(yīng)；此外，降低析出相分布密度可以讓裂尖附近萌生的微孔先長(zhǎng)大、聚合,再與裂尖相連接而發(fā)生擴(kuò)展，進(jìn)而抑制裂紋以微區(qū)解理的方式擴(kuò)展。