中科院金属所Mater. Sci. Eng., A ：微观组织不均匀性诱发形成疲劳强度稳定平台

【引言】

疲劳性能是结构材料长期安全服役的关键指标。疲劳破坏具体表现为疲劳裂纹形核与扩展，它通常展现出高度局部化的特征。微观组织不均匀的出现将会导致疲劳裂纹在某些区域优先形核，如夹杂物界面、晶界、粗大晶粒等。因此，对于结构材料来说，疲劳破坏局部化是一种非常有害但是又不可避免的现象。尽管疲劳破坏局部化几乎不可能被完全消除，但是是否可以对其实现可测量与可控制呢？本文将尝试建立微观组织均匀性与疲劳性能二者之间的关系，以期更好地理解疲劳破坏局部化现象，同时为抗疲劳设计与疲劳寿命预测提供可能性。

【成果简介】

近日，中科院金属所张哲峰研究员(通讯作者)与田艳中副研究员(通讯作者)利用冷轧与退火的Cu-5at%Al合金研究了微观组织不均匀性对疲劳性能的影响，研究结果发现在拥有类似最大晶粒尺寸的部分再结晶组织区域，出了恒定疲劳强度的稳定平台。疲劳强度稳定平台的出现意味着在某些特定情况下，疲劳强度既不随抗拉强度变化，也不随平均晶粒尺寸变化。该成果以“Fatigue strength plateau induced by microstructure inhomogeneity”为题发表在期刊Materials Science and Engineering A上。

【图文导读】

图1：Cu-5at%Al合金的EBSD图(黑色、绿色及红色分别代表大角度晶界、小角度晶界及孪晶界，CR代表轧制态，CR+A300代表冷轧后300℃退火)

(a) 冷轧态；部分再结晶；

(b) 冷轧后300℃退火；

(c) 冷轧后325℃退火；

(d) 冷轧后350℃退火；完全再结晶；

(e) 冷轧后425℃退火；

(f) 冷轧后500℃退火。

图2：Cu-5at%Al合金晶粒尺寸分布

(a) 冷轧态微观组织的晶粒尺寸分布；

(b) 冷轧后425℃退火微观组织的晶粒尺寸分布(P(d＞1μm)表示晶粒尺寸大于1μm所占的体积分数)；

(c) 6种类型试样的平均晶粒尺寸与晶粒尺寸大于1μm所占比例(CR表示冷轧态；PR表示部分再结晶；FR表示完全再结晶)。

图3：Cu-5at%Al合金拉伸性能与疲劳性能

(a) 工程应力应变曲线；

(b) 应力幅值与疲劳寿命之间的关系曲线(S-N曲线)。

图4：疲劳性能与拉伸性能之间的关系曲线

(a) 疲劳强度与抗拉强度之间的关系曲线；

(b) 疲劳比R与抗拉强度之间的关系曲线；

(c) 疲劳强度系数与抗拉强度之间的关系曲线；

(d) 疲劳强度指数与抗拉强度之间的关系曲线。

图5：疲劳破坏局部化与疲劳强度稳定平台的形成

(a) 不同再结晶状态试样的疲劳开裂行为；

(b) 不同应力幅值条件下完全再结晶试样(冷轧后500℃退火)疲劳开裂行为；

(c) 疲劳强度(分别为105,106,107)与抗拉强度之间的关系曲线图。

图6：图解说明疲劳破坏局部化诱发疲劳强度稳定平台的形成机理

稳定平台的疲劳强度值近似再结晶晶粒的屈服强度值。

【小结】

本文制备了冷轧、部分再结晶及完全再结晶三组Cu-5at%Al试样作为研究对象，发现了疲劳强度与抗拉强度之间对应的三阶段关系，其中对于部分再结晶试样，尽管抗拉强度剧烈变化但是疲劳强度几乎保持不变。这种疲劳强度稳定平台主要是由于在再结晶区域出现疲劳破坏局部化造成的。而且稳定平台的疲劳强度值近似再结晶晶粒的屈服强度值。本文的研究揭示了微观组织不均匀性对疲劳强度的显著影响。

文献链接：Fatigue Strength Plateau Induced by Microstructure Inhomogeneity (Mater. Sci. Eng., A, July 14, 2017, DOI：10. 1016/j. msea. 2017. 07. 026)

本文由材料人编辑部许元涛编辑，陈炳旭审核，点我加入材料人编辑部。

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