低碳钢中小的疲劳裂纹生长对微观结构障碍的影响.docVIP

低碳钢中小的疲劳裂纹生长对微观结构障碍的影响 摘要：金属材料微观结构阻碍小裂纹生长的增多是当今材料科学的一个主要任务。在这方面，晶界和沉淀众所周知减速了小裂纹，但是阻塞效应的定量理解仍然在错过。这是因为裂纹减速被许多参数影响：循环载荷、裂纹长度、障碍距离、晶粒取向和障碍。甚至大量小裂纹检测不能足够地确认那些参数的单独影响，尤其因为疲劳裂纹生长是一个3维问题和裂纹近表面取向和晶界的研究很少。 人工裂纹萌生技术通过结合聚焦离子束X线断层摄影技术的一个聚焦离子束第一次用于定量理解晶界阻止裂纹增殖的机制。因为试验只在镍基高温合金上进行，现在这技术用于研究裂纹如何与低碳钢中的晶界相互作用。本文中的行为完全不同于由于位错铅笔状滑移的行为。然而，一个取向限制的主要结果在裂纹不能穿过晶界的地方发现。 引言 进行循环加载的材料和部件耗尽它们寿命的90%，随着小裂纹增殖，这些小裂纹在单一滑移面上形核和结晶学生长及在它们生长期间相邻晶粒的相互作用。因此，小裂纹被局部微观结构强烈地影响，局部微观结构导致没有用连续模型描述典型的波动增殖率。然而，为正确寿命的预测和裂纹与晶界相互作用的抗疲劳材料的形成必须详细地理解。Gao等人在基本工作中研究了特别晶界前面的裂纹停止，目的是用晶界工程增加抗疲劳能力。裂纹停止没有发现一个清晰和强有利的影响。然而，局部相互作用机制没有研究。所以我们研发和建立一种新的方法，人工裂纹萌生用聚焦离子束（FIB）在小疲劳裂纹和金属材料微观结构之间相互作用中进行系统试验。这基本观点是用聚焦离子束切断微观缺口作为在循环加载期间疲劳裂纹生长的萌生点。这方法的优点是首先微观缺口位置能在关于一个选择的微观结构障碍的试验之前选择，例如一个特别的晶界。人工裂纹萌生的精度大约是1μm距50μm距离的缺口处萌生的裂纹比在距晶界仅仅30μm距离的缺口处萌生的裂纹扩展得快得多。必须指出对后来的缺口，裂纹生长仅仅裂纹达到晶界处时观察到。然后裂纹在5000个循环期间在晶界处止裂直到裂纹生长再次观察到，且裂纹再经历2500个循环直到裂纹克服晶界。相比较之下，在离晶界最大距离的缺口处没有止裂观察到。 两个裂纹的许多加载循环产生的整体裂纹长度用一个n点的多项式拟合估计裂纹生长速率。结果（图2）表示裂纹的一个强烈减速萌生更接近晶界，然而对其他裂纹没有看到减速。之后“慢速裂纹” 在大约90μm的长度时通过晶界，两个裂纹表现相同的速率。 两个裂纹的观察与基于连续分布的位错理论相一致，这在文献15中已经有应用，因为当裂纹接近晶界及裂纹穿过晶界后加速，对更小的裂纹裂纹生长更快。 在多晶体中疲劳裂纹生长 在这节中阐述了带有相同裂纹参数（裂纹长度、深度和离晶界的距离）的裂纹如何与不同晶界的相互作用。裂纹增殖速率被测量和令人吃惊的结果是晶界阻力不仅由晶粒之间取向的不同决定，本质上也由晶界的空间取向决定。疲劳试验之后的聚焦离子束X线断层摄影术通过确认易滑移面和晶界的3D位置（图3）详细地揭示了这个细节。关于这个信息，裂纹穿过晶界的增殖速率用Tanaka模型定量地计算（图4）。所以，仅仅使用的参数用于测量单晶和晶界两侧的晶粒取向。令人吃惊的是，在第二个晶粒中必须考虑最低Schmid因素的滑移系。假设由于晶粒中易滑移面上的几何原因，两个可能的滑移系必须是易滑移的，所以滑移系最难激活这决定了裂纹生长。然而，这工作只要裂纹穿过晶界用一个减小的生长速率，裂纹是不会完全停止扩展的。 现在，很重要地去调查裂纹如何在晶界处止裂，及什么决定了裂纹没有生长直到裂纹增殖再次开始的循环数量。 到目前为止，这方法用于研究在镍基或镍基高温合金面心立方结构的模型材料中小疲劳裂纹与晶界的相互作用。现在这研究被沿用到低碳钢体心立方结构的模型材料及广泛使用的材料。预计由于铅笔状行为转变从一个晶粒到邻近的一个晶粒应该是较容易的。 试验 在低碳钢中进行试验。钢成分在表1中给出。为能够在单晶中萌生裂纹和观察一个或两个选择的晶界的相互作用，必须用如下的热处理产生一个粗晶微观结构： 钢板的解决方案是在真空1200℃处理8个小时，晶粒度增加到大约200μm，之后在空气710℃处理2个小时，随后进行水淬。热处理之后在室温时效4周，抑制在疲劳测试期间循环Lüders带测形成。图5中的扁平疲劳试样用电火花线切割机切割，且后然机械地研磨和抛光，随后电解抛光揭示一个合适的表面质量用于EBSD测试。到目前为止不可能测量在任何残余应力中的水淬结果。然而，裂纹增殖行为中残余应力的影响在下面的工程项目中进行研究。 通过EBSD测量，平均晶粒度为150μm，表面晶粒取向被揭示，计算平面台阶Ⅰ裂纹的显微缺口择优取向如图6所示。根据Taylor计算铅笔状滑移平面。铅笔状滑移意味着{111}{110}，{112}和{123}包括一个共同的〈111〉方向。