Acta Mater.：體心立方Fe-Cr鐵素體不銹鋼在疲勞微裂紋擴展過程中的應變累積

詹詹 6年前 (2017-11-02) 3169瀏覽

【引言】

在微觀尺度上對結構材料疲勞性能進行研究，可以增進對材料疲勞性能的認識，使得對疲勞裂紋擴展的預測更加可靠，從而預防因疲勞斷裂導致的事故的發生。雖然對疲勞微裂紋的研究已經建立了多種理論模型，但對裂紋擴展過程中晶粒尺度水平材料行為的試驗研究仍然有限。

【成果簡介】

近日，E.Malitckii（通訊作者）團隊在Acta Mater.上發表了一篇題為“Strain accumulation during microstructurally small fatigue crack propagation in bcc Fe-Cr ferritic stainless steel”的文章。該研究團隊采用數字圖像相關技術（DIC）研究了18%Cr鐵素體不銹鋼在微觀結構疲勞微裂紋擴展過程中的應變累積。研究結果表明在循環載荷作用下，材料的損傷累積和時效存在1)在裂紋尖端前緣形成局部剪切應變區，2)通過單滑移機制和多滑移機理導致疲勞裂紋擴展兩個過程；在裂紋擴展過程中，裂紋擴展速率的變化與局部剪切應變區的位置和密度的差異密切相關。

【圖文解讀】

表1 ASTM UNS S43940鐵素體不銹鋼化學成分（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

圖2 缺口拉伸試樣示意圖

圓圈所示為試樣的缺口區域。

圖3 力學性能曲線

(a) 工程應力隨伸長量變化曲線，CERT試驗中應變率為2×10-3S-1，其中圓圈所示為屈服點；

(b) 疲勞試驗過程中試樣伸長量隨載荷循環數變化曲線。

圖4 試樣缺口區域形貌圖和EBSD圖

(a) 試樣缺口區域形貌圖，虛線框所示為課題研究區域；

(b) 通過EBSD采集的取向分布圖。

圖5 裂紋長度隨載荷循環數變化曲線及裂紋擴展速率

(a) 裂紋長度隨載荷循環的變化曲線；

(b) 通過計算所得的裂紋擴展速率。

圖6 疲勞裂紋處應變場

應變場通過DIC計算所得。

(a) 疲勞裂紋擴展時同時出現的拉伸和壓縮區域，Eyy’表示平行于載荷方向，Exx’表示垂直于載荷方向；

(b) 疲勞試驗過程中，通過最大形變量測得的最大剪切應變。

圖7 最大剪切應變的數據合成方法

數據通過繪制3D輪廓組合而成。

表8 計算所得應變參數

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

應變區域位置晶粒的最大Schmid因子加粗標識。

圖9 應變區域位置晶粒的Schmid因子

bcc晶體結構中優先滑移面(a) {110}；(b) {112}和(c) {123}。

圖10 晶界取向差及其分布

(a) 試樣缺口附近晶界取向差；

(b) 晶界取向差分布。

圖11 穿晶疲勞裂紋微觀形貌圖

(a) 脆性穿晶疲勞裂紋；

(b) 裂紋表面存在預裂區；

(c) 疲勞輝紋高倍放大形貌。

圖12 疲勞裂紋微觀形貌圖

當裂紋延遲發生時，裂紋長度與發生階段I微觀斷裂的位置密切相關。

【小結】

本文研究表明，依據DIC分析結果，疲勞裂紋穿晶擴展，在疲勞裂紋擴展過程中，剪切應變區間歇性地出現在裂紋尖端前緣，疲勞裂紋擴展速率受到累積剪切變形區的影響，晶粒取向（Schmid因子）與剪切應變強度因子之間成反比。

文獻鏈接：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)

本文由材料人金屬組詹英杰編譯，點我加入材料人編輯部。

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