Acta Mater.：体心立方Fe-Cr铁素体不锈钢在疲劳微裂纹扩展过程中的应变累积

詹詹 7年前 (2017-11-02) 3396浏览

【引言】

在微观尺度上对结构材料疲劳性能进行研究，可以增进对材料疲劳性能的认识，使得对疲劳裂纹扩展的预测更加可靠，从而预防因疲劳断裂导致的事故的发生。虽然对疲劳微裂纹的研究已经建立了多种理论模型，但对裂纹扩展过程中晶粒尺度水平材料行为的试验研究仍然有限。

【成果简介】

近日，E.Malitckii（通讯作者）团队在Acta Mater.上发表了一篇题为“Strain accumulation during microstructurally small fatigue crack propagation in bcc Fe-Cr ferritic stainless steel”的文章。该研究团队采用数字图像相关技术（DIC）研究了18%Cr铁素体不锈钢在微观结构疲劳微裂纹扩展过程中的应变累积。研究结果表明在循环载荷作用下，材料的损伤累积和时效存在1)在裂纹尖端前缘形成局部剪切应变区，2)通过单滑移机制和多滑移机理导致疲劳裂纹扩展两个过程；在裂纹扩展过程中，裂纹扩展速率的变化与局部剪切应变区的位置和密度的差异密切相关。

【图文解读】

表1 ASTM UNS S43940铁素体不锈钢化学成分（Wt.%）

C Si Mn P Cr Mo Nb Ni Ti Cu Al As Co Sn V W
0.014 0.61 0.42 0.03 17.7 0.024 0.393 0.18 0.138 0.118 0.025 0.007 0.0183 0.007 0.055 0.037

图2 缺口拉伸试样示意图

圆圈所示为试样的缺口区域。

图3 力学性能曲线

(a) 工程应力随伸长量变化曲线，CERT试验中应变率为2×10-3S-1，其中圆圈所示为屈服点；

(b) 疲劳试验过程中试样伸长量随载荷循环数变化曲线。

图4 试样缺口区域形貌图和EBSD图

(a) 试样缺口区域形貌图，虚线框所示为课题研究区域；

(b) 通过EBSD采集的取向分布图。

图5 裂纹长度随载荷循环数变化曲线及裂纹扩展速率

(a) 裂纹长度随载荷循环的变化曲线；

(b) 通过计算所得的裂纹扩展速率。

图6 疲劳裂纹处应变场

应变场通过DIC计算所得。

(a) 疲劳裂纹扩展时同时出现的拉伸和压缩区域，Eyy’表示平行于载荷方向，Exx’表示垂直于载荷方向；

(b) 疲劳试验过程中，通过最大形变量测得的最大剪切应变。

图7 最大剪切应变的数据合成方法

数据通过绘制3D轮廓组合而成。

表8 计算所得应变参数

Localization point No. Grain No.

Deformation area, mm2

 Cumulative maximum shear strain, % Shear strain intensity factor Schmid factor
{110} {112} {123}
1 1 0.0302 0.65 21 0.43 0.5 0.49
2 0.0048 0.55 114
3 2 0.0012 0.72 600 0.35 0.41 0.39
4 GB2 0.0437 0.52 11 GB2
5 3 0.0075 1.16 154 0.45 0.48 0.49

应变区域位置晶粒的最大Schmid因子加粗标识。

图9 应变区域位置晶粒的Schmid因子

bcc晶体结构中优先滑移面(a) {110}；(b) {112}和(c) {123}。

图10 晶界取向差及其分布

(a) 试样缺口附近晶界取向差；

(b) 晶界取向差分布。

图11 穿晶疲劳裂纹微观形貌图

(a) 脆性穿晶疲劳裂纹；

(b) 裂纹表面存在预裂区；

(c) 疲劳辉纹高倍放大形貌。

图12 疲劳裂纹微观形貌图

当裂纹延迟发生时，裂纹长度与发生阶段I微观断裂的位置密切相关。

【小结】

本文研究表明，依据DIC分析结果，疲劳裂纹穿晶扩展，在疲劳裂纹扩展过程中，剪切应变区间歇性地出现在裂纹尖端前缘，疲劳裂纹扩展速率受到累积剪切变形区的影响，晶粒取向（Schmid因子）与剪切应变强度因子之间成反比。

文献链接：Strain accumulation during microstructurally small fatigue crack propagation in bcc Fe-Cr ferritic stainless steel(Acta Mater., 12 July 2017, DOI: 10.1016/j.actamat.2017.10.038)

本文由材料人金属组詹英杰编译，点我加入材料人编辑部。

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