工業(yè)純鐵試樣的低周疲勞與退火過程中的疲勞裂紋形態(tài)演變

工業(yè)純鐵試樣的低周疲勞與退火過程中的疲勞裂紋形態(tài)演變

在對工業(yè)純鐵的初始研究中，在高溫和低溫條件下觀察到了內(nèi)部疲勞微裂紋的愈合。這種裂縫的愈合也被觀察到，如陶瓷、玻璃、石英、聚合物和其他非金屬材料。這些研究主要是定量地研究了裂縫形成過程的形態(tài)發(fā)展和機制。然而，由于裂縫形成的特殊三維形式，因此無法進行精確的匹配過程，因此在鍵的形成位置也受到條件的限制。例如，在掃描電鏡（sem）的原始觀察中，由于裂紋表面與樣品金的研磨面相交，導(dǎo)致彎曲面形成裂縫邊緣。與其他界面相比，這些專欄中的表面傾角較大，因此化學(xué)位最高。因此，局部原子擴散至周圍，導(dǎo)致邊緣圓形。在sem的觀察下，這反映了裂縫的擴張。這與內(nèi)部裂紋的實際發(fā)展不符。事實證明，sem的現(xiàn)場觀測是不可能的。理想的方法是在不破壞整個裂紋形狀的前提下進行現(xiàn)場觀測。聲音顯微鏡用于測量材料中毫米測量的微十字的小缺陷，并可用于現(xiàn)場觀測裂縫的愈合過程。然而，聲顯微鏡可以達(dá)到大約納米規(guī)模的分辨率，并與相應(yīng)的原位加熱技術(shù)相結(jié)合。曾有研究者應(yīng)用密度檢測技術(shù)研究了Cu,Mg等材料中由高溫蠕變或高溫疲勞引入的晶界空洞的收縮過程,發(fā)現(xiàn)內(nèi)含空洞試樣的密度值隨著一定溫度下加熱時間的延長而相應(yīng)改變.這表明空洞收縮所引起的材料的密度變化可以被檢測到,該技術(shù)同樣適用于研究內(nèi)部裂紋愈合過程中引起的材料密度的變化.本文探討了疲勞加載以及隨后的退火處理后工業(yè)純鐵試樣的密度變化,為先前的相關(guān)裂紋愈合模型提供了直接的證據(jù).1材料的相關(guān)實驗實驗材料為工業(yè)純鐵,化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為:C0.025,Si0.20,Mn0.30,P0.020,S≤0.020,Al0.15—0.50,Cr0.10,Ni0.20,Cu0.20,余為Fe.加工成標(biāo)準(zhǔn)的疲勞拉伸試樣,中間標(biāo)距部分直徑為5mm,并保持高的表面光潔度.室溫下在MST880材料試驗機上進行控制應(yīng)變幅的等幅、拉-壓、低周疲勞加載,應(yīng)變幅為Δεpl=6×10-3,應(yīng)變速率為εpl=7.5×10-3/s,分別加載至該應(yīng)變幅下疲勞壽命的50%,70%,90%壽命分?jǐn)?shù)直至試樣最終斷開.卸載后,切取疲勞試樣的標(biāo)距部分進行金相拋光.隨后,疲勞試樣在1173K溫度分別真空退火1,2,3,5直至7h.采用METTLER-TOLEDOAG285型電子分析天平,利用Archimedes排水法檢測各試樣的密度值.該天平配備有密度測量附件,可對81g質(zhì)量范圍內(nèi)的試樣的密度值測量至±0.001g/cm3的精度.首先測量疲勞加載前原始試樣的密度值ρ0,然后測量各疲勞試樣的密度值,每次退火后即測量試樣的密度值,然后進行下一次退火處理.每個試樣的密度值均重復(fù)測量了12次,以避免產(chǎn)生偶然誤差.此外,還對疲勞試樣以及不同時間退火試樣在S-2700掃描電鏡下進行了SEM觀察,主要實驗結(jié)果已經(jīng)發(fā)表.2真空退火期間材料的粗糙度、材料密度和裂紋演化密度檢測結(jié)果表明,工業(yè)純鐵原始試樣的密度值為ρ0=7.835g/cm3,疲勞加載不同循環(huán)周次以及隨后進行不同時間的退火處理后,各組試樣的密度測量值如表1所示.其中N為疲勞循環(huán)周次,Nf為疲勞壽命,N/Nf即為疲勞加載的壽命分?jǐn)?shù).為了直觀地顯示試樣的密度變化情況,我們定義了相對密度變化Δρ/ρ0為:式中ρ為不同試樣的密度測量值.根據(jù)表1中數(shù)據(jù),圖1給出了在應(yīng)變幅Δεpl=6×10-3下,不同循環(huán)周次加載后試樣密度值的變化曲線.由圖1可見,隨著疲勞循環(huán)次數(shù)從50%壽命分?jǐn)?shù)開始增加直至試樣最終斷裂,試樣的密度值逐漸減小,表明試樣的損傷加劇,內(nèi)部疲勞裂紋的數(shù)目或者體積逐漸增加.SEM觀察表明,低周應(yīng)變疲勞加載下工業(yè)純鐵內(nèi)部萌生了形態(tài)近似為圓幣型的疲勞微裂紋,其橫剖面如圖2所示.可以認(rèn)為,正是由于內(nèi)部疲勞裂紋的萌生導(dǎo)致了疲勞試樣密度小于原始試樣密度.而且,由于循環(huán)周次的增加使得疲勞裂紋進一步擴展以及在試樣內(nèi)部萌生了更多數(shù)目的裂紋,從而引起試樣密度值隨疲勞壽命分?jǐn)?shù)增加而持續(xù)減小.圖3中所示為疲勞試樣真空退火不同時間后的密度值恢復(fù)曲線.可見,對于不同循環(huán)周次加載的疲勞試樣,在從1到3h的退火時間內(nèi),其密度變化曲線均近似為一水平線,表明在此期間各試樣的密度值無明顯改變.退火時間從3h開始,各試樣的密度值逐漸增加,并且在7h時基本接近了原始試樣的密度值ρ0.退火期間試樣的密度變化現(xiàn)象與其內(nèi)部疲勞裂紋的形態(tài)演變相關(guān),圖4顯示了在1173K真空退火處理后裂紋的演化分解現(xiàn)象.根據(jù)純鐵的相關(guān)擴散參數(shù)計算可知,1173K時Fe原子表面擴散系數(shù)Ds比體擴散系數(shù)D1高約5個數(shù)量級,因此表面擴散機制將主導(dǎo)圓幣型疲勞裂紋前期進行的形態(tài)演變.SEM觀察表明,疲勞裂紋在表面擴散作用下首先分解形成多個空洞排列的空洞串,如圖4a所示的裂紋橫剖面,裂紋被分割為空洞群排列的形態(tài).隨后,位于晶粒內(nèi)部的空洞的表面空位在體擴散作用下向晶界擴散,引起空洞體積收縮直至最終愈合消失.圖4b表明當(dāng)退火時間持續(xù)到7h時,裂紋演變所形成的大部分空洞已經(jīng)愈合消失,而僅留下了由于初始半徑較大而尚未愈合的單個空洞.為了維持一定溫度下恒定的晶界寬度,由晶內(nèi)空洞擴散至晶界的空位將繼續(xù)向試樣表面擴散,使得裂紋最終愈合,同時試樣體積收縮減小,密度逐漸恢復(fù)到原始態(tài).表面擴散作用只改變裂紋的形狀而不減小裂紋腔總的體積,因此在裂紋愈合演變的前期階段,即當(dāng)退火時間從1h持續(xù)到3h時,圖3中各條密度變化曲線比較平坦,試樣的密度值沒有顯著的增加.而隨后裂紋演變形成的空洞將在擴散作用下逐漸收縮,圖5為不同退火時間后試樣中殘存的空洞半徑的統(tǒng)計結(jié)果.可見,隨著退火時間的延長空洞的平均半徑r0尺寸逐漸減小,從2h退火時的0.6μm減小至5h時的0.3μm,再減小至7h時的0.2μm.因此,圖3顯示的從3h開始直到7h的退火期間試樣的密度增加應(yīng)該與此相關(guān),因為裂紋演變形成的空洞的收縮導(dǎo)致了試樣體積的減小,從而其密度增加并最終接近了原始值ρ0.以上主要描述了在1173K溫度下7h退火期間純鐵內(nèi)部疲勞微裂紋的形態(tài)演變并記錄了在此期間試樣的密度變化,而沒有涉及退火后試樣疲勞性能的恢復(fù)情況.事實上,若將7h退火后的試樣重新進行相同的疲勞加載實驗,其結(jié)果將同前述的疲勞壽命數(shù)據(jù)沒有可比性.因為實驗觀察表明,7h退火后鐵素體晶粒尺寸已由退火之前的30μm左右急劇長大至100μm左右,而晶粒尺寸則極大影響材料的力學(xué)性能.因此,只有再次進行其它的熱處理以將鐵素體晶粒尺寸重新細(xì)化至最初的30μm左右,然后進行疲勞加載以對比退火處理前后的疲勞數(shù)據(jù)才有意義,類似的工作已有報道.例如,楊曉華對汽輪機葉片服役功能退化規(guī)律的研究表明,2Cr13鋼試樣在應(yīng)變疲勞的中途進行回火處理后可顯著地延長試樣的疲勞壽命.3試樣密度和裂紋的變化(1)密度測量結(jié)果表明,低周應(yīng)變疲勞加載后,工業(yè)純鐵試樣的密度值明顯低于原始密度P0,且隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加,疲勞試樣密度值逐次減小.(2)在1173K溫度下從1h真空退火至3h,疲勞試樣的密度變化不大,略有增長;當(dāng)退火時間從3h延長至5h并直至7h時,試樣的密度值明顯增大,并最終接近于試樣的原始密度值P0.(3)試樣密度值的變化與其內(nèi)部疲勞裂紋的萌生及其在