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，因此化學位最高。因此，局部原子擴散至周圍，導致邊緣圓形。在sem的觀察下，這反映了裂縫的擴張。這與內部裂紋的實際發(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，聲顯微鏡可以達到大約納米規(guī)模的分辨率，并與相應的原位加熱技術相結合。曾有研究者應用密度檢測技術研究了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,該技術同樣適用于研究內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,為先前的相關裂紋愈合模型提供了直接的證據(jù).1材料的相關實驗實驗材料為工業(yè)純鐵,化學成分(質量分數(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.加工成標準的疲勞拉伸試樣,中間標距部分直徑為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變幅的等幅、拉-壓、低周疲勞加載,應變幅為Δεpl=6×10-3,應變速率為εpl=7.5×10-3/s,分別加載至該應變幅下疲勞壽命的50%,70%,90%壽命分數(shù)直至試樣最終斷開.卸載后,切取疲勞試樣的標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質量范圍內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測量了12次,以避免產生偶然誤差.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,主要實驗結果已經發(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數(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%壽命分數(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,低周應變疲勞加載下工業(yè)純鐵內部萌生了形態(tài)近似為圓幣型的疲勞微裂紋,其橫剖面如圖2所示.可以認為,正是由于內部疲勞裂紋的萌生導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數(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,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)象與其內部疲勞裂紋的形態(tài)演變相關,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該與此相關,因為裂紋演變形成的空洞的收縮導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)密度測量結果表明,低周應變疲勞加載后,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部疲勞裂紋的萌生及其在