Acta Mater.：氫氣對鐵素體-珠光體雙相低碳鋼疲勞斷裂位錯組織的影響

【引言】

在氫氣氣氛中，金屬與合金容易發生疲勞斷裂，但其發生的機制目前還不清楚。目前主要的理論有：氫脆理論、氫致局部塑性理論、氫致空位產生理論和氫致相變理論。因此進一步分析和闡釋氫致失效的機制具有重大意義。

【成果簡介】

近日，來自美國威斯康辛大學麥迪遜分校的材料科學與工程系的Ian M. Robertson和工程物理系的王帥（共同通訊作者）在Acta Materialia上發表了一篇名為“Hydrogen-modified dislocation structures in a cyclically deformed ferritic-pearlitic low carbon steel”的文章。研究人員以低碳鋼為原材料，通過STEM、SEM、金相等分析手段研究了氫氣對低碳鋼疲勞斷裂位錯組織的影響并對其中的機理進行了相應的討論。

【圖文導讀】

圖1：變形前的顯微組織

（a）變形前的金相照片。由圖可知珠光體沿著鐵素體晶粒的晶界分布，而材料的晶粒尺寸在10μm-50μm之間。

（b）變形前的STEM照片。由圖可知變形前材料晶內的位錯密度較低，而在珠光體中，鐵素體和滲碳體間的間距在100nm-300nm之間。

圖2：不同氣氛下材料的疲勞裂紋擴展速率曲線

由圖可知當?K < 50 MPa m^1/2時，三條曲線都存在穩態擴展區，即Paris區。除此之外，在H₂下的裂紋擴展速率比在空氣中的要快。?K < 50 MPa m^1/2時，H₂氣壓對裂紋擴展速率影響影響很小。

圖3： 不同氣氛下疲勞斷裂表面（?K=25 MPa m^1/2）

（a-b）為空氣中疲勞斷裂表面的SEM圖，斷口上可以觀察到明顯的疲勞輝紋，基本上與裂紋擴展方向垂直。

（c-d）為40 MPa H₂ 中疲勞斷裂表面的SEM圖，斷口主要特征為準解理和少量的河流花樣。

圖4：疲勞斷裂表面下的STEM圖（疲勞斷裂氣氛：空氣）

（a）由圖可知，斷裂表面下的微觀組織結構以亞晶為主；裂紋擴展方向為從左到右；圖的左下角為圓圈區域的選區電子衍射圖，表明亞晶間的取向差很小。

（b）疲勞輝紋附近的顯微組織結構圖。

（c）斷裂表面下2-5μm處的顯微組織結構圖。由圖可知亞晶內的位錯密度較低，而較大的亞晶被位錯分割成更小的亞晶。

（d）斷裂表面下13-19 μm處的顯微組織結構圖。由圖可知隨著離斷裂表面的距離增加，亞晶內的位錯密度逐漸減小。

斷裂表面處亮灰色為沉積的Pt。

圖5：疲勞輝紋與準解理區間的過渡區的顯微組織結構（疲勞斷裂氣氛：空氣，?K=25 MPa m^1/2）

（a）疲勞輝紋與準解理區間的過渡區的SEM圖；

（b）為（a）中虛線框處的STEM圖。由圖可知，斷裂表面下的微觀結構主要為亞晶，并伴有二次裂紋。

斷裂表面處亮灰色為沉積的Pt。

圖6：圖5（b）中虛線方框處晶粒取向分布圖

（a）圖5（b）中虛線方框處晶粒取向分布圖與反極圖，由圖可知亞晶間的取向差較小。

（b）與（a）對應的索引圖，在圖中可以看到低角度的亞晶晶界和位錯墻。

（c）垂直方向上的累積取向差曲線，由圖可知斷裂表面的亞晶與斷裂表面下的亞晶的取向差達到20°。

（d）水平方向上的累積取向差曲線，水平方向上的亞晶之間的取向差較小。

圖7：圖3（d）中虛線框處與河流花樣平行截面的位錯結構（疲勞斷裂氣氛：40 MPa H₂ ，?K=25 MPa m^1/2）

（a）圖3（d）中虛線框處斷裂表面下的STEM圖。由圖可知密集的位錯帶與斷裂表面間的夾角約為70°；位錯帶間的間距為200-470nm；大多數位錯帶從表面延伸到底部的晶界，延伸距離約為9μm；在左邊的位錯當間由二次位錯帶存在，而在其他區域位錯帶間含有許多位錯胞。

（b）為（a)中虛線框的放大圖。由圖可知斷裂表面下100-200nm處亞晶內的位錯密度很高；左下角為虛線圓處的選區電子衍射圖。

斷裂表面處亮灰色為沉積的Pt。

圖8：斷裂表面下晶粒取向分布圖（疲勞斷裂氣氛：40 MPa H₂ ，?K=25 MPa m^1/2）

（a）圖7（b）中虛線方框處晶粒取向分布圖與反極圖。

（b）與（a）對應的索引圖，在圖中可以看到密集的位錯帶。

（c）垂直方向上的累積取向差曲線。

（d）水平方向上的累積取向差曲線。

圖9：不同氣氛下顯微組織尺寸不同深度的分布曲線（?K=25 MPa m^1/2）

對于空氣中斷裂表面而言，統計的顯微組織尺寸為疲勞輝紋下的亞晶尺寸；對于40 MPa H2中斷裂表面而言，統計的顯微組織尺寸為位錯胞尺寸。

（a）斷裂表面下0-6μm處顯微組織尺寸分布圖。

（b）斷裂表面下6-12μm處顯微組織尺寸分布圖。

【小結】

本文以空氣中的疲勞斷裂為對照組系統地研究了氫氣對鐵素體-珠光體雙相低碳鋼的疲勞斷裂中位錯組織的影響，發現氫致局部塑性理論可以很好的解釋疲勞斷裂中位錯組織的變化。在空氣中，疲勞斷裂表面主要以疲勞裂紋輝紋為主，裂紋表面下的顯微組織主要以亞晶為主；在氫氣中，疲勞斷裂表面以解里面為主，裂紋表面下的顯微組織主要以位錯帶和位錯胞為主。

文獻鏈接： Wang S, Nagao A, Sofronis P, et al. Hydrogen-modified dislocation structures in a cyclically deformed ferritic-pearlitic low carbon steel[J]. Acta Materialia, 2017.

本文由材料人編輯部新人組劉冠華編譯，周夢青審核，點我加入材料人編輯部。

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