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              固溶碳對提高鋼疲勞特性的作用

                    結構材料有一定的使用壽命。在實際使用環境下的金屬結構材料的損壞原因多是疲勞。疲勞斷裂發生在屈服強度以下。金屬結構材料即使在沒有發生宏觀塑性變形的狀態下,在各種應力反復作用下,金屬中的位錯組織不斷發生變化。其結果是,最薄弱的位錯組織發生裂紋、裂紋擴展、直至材料斷裂。發生疲勞斷裂時的負荷循環次數叫做疲勞壽命。發生疲勞斷裂的極限應力叫做疲勞極限。一般,將在一定應力振幅作用下,對材料試樣反復施加107次疲勞負荷,試樣未斷裂的應力振幅規定為疲勞極限。對于鋼鐵材料,疲勞裂紋擴展時間大于疲勞裂紋萌生時間。因此,在研究鋼鐵材料的疲勞壽命時,疲勞裂紋的擴展行為是重要的因素。此外,疲勞裂紋的擴展行為也是疲勞極限的支配因子。以下對鋼鐵材料疲勞裂紋擴展行為的研究情況進行簡要介紹。

                      微小疲勞裂紋停止擴展和應變時效硬化
                      疲勞裂紋擴展行為決定著疲勞極限,是因為金屬材料中產生疲勞裂紋后,在疲勞負荷的反復作用下,當疲勞裂紋不發生擴展時,由于疲勞裂紋擴展速度是零,所以即使材料中產生了裂紋也不發生斷裂,這個疲勞裂紋停止擴展的極限應力是疲勞極限。鋼鐵材料中即使存在疲勞裂紋,但只要應力小于疲勞極限,鋼鐵材料就是健康的狀態。Fe-0.017%C(mass%,下同)鐵素體單相組織鋼疲勞極限時的復型圖像(疲勞負荷應力比為-1)顯示,疲勞裂紋發生后,停止了擴展。

                     如圖1所示,微小疲勞裂紋停止擴展的原因有三個類別。1)裂紋前端發生變形,產生鈍化(圖1(a))。2)裂紋閉合。裂紋發生變形,在裂紋前端形成塑性區,在塑性區材料沿裂紋開口方向發生塑性變形。由于受到周圍彈性變形區的拘束,塑性變形區發生彈性壓縮。卸載后,彈性壓縮場殘留下來,阻礙著閉合后裂紋在再次拉伸負荷下的張開(圖(b))。殘留彈性壓縮場的規模隨微小疲勞裂紋的擴展而增大,當裂紋擴展到某一長度時,擴展完全停止。這種裂紋閉合現象稱為塑性誘發裂紋閉合效應。3)疲勞裂紋前端周圍硬化,成為塑性變形的阻力。疲勞裂紋前端周圍越硬,對位錯運動的阻力越大,對裂紋張開的阻力也就越大(圖1(c))。對這三個因素進行控制是提高材料疲勞極限的關鍵。對于疲勞裂紋前端周圍硬化的第三個因素,應變時效硬化是使疲勞裂紋前端周圍硬化的有效方法。鋼中的固溶碳對應變時效硬化有重要影響。
                      為緩解裂紋前端的大應力集中,需要發生塑性應變。由于裂紋前端存在靜水壓梯度,所以應力誘發擴散促進碳向裂紋前端的擴散和偏析。此外,在疲勞極限附近,疲勞裂紋擴展速度很慢,所以碳的擴散需要一定時間。這就是說,在裂紋前端具備了大塑性應變、高碳濃度、長時效時間這三個條件。因此在裂紋前端產生應變時效硬化,使裂紋擴展停止。

                      圖2是經淬火處理、碳處于過飽和狀態的無間隙原子鋼(IF鋼)Fe-0.006%C和Fe-0.017%C的應力振幅-疲勞壽命(S-N)曲線。從S-N曲線可知,固溶碳提高了鋼的疲勞極限。需關注的是,S-N曲線的107循環次數以后的曲線部分,是在107以上疲勞次數施加反復應力的部分。在該部分疲勞斷裂的極限應力升高。將在疲勞極限以下應力作用下疲勞強度升高的現象稱為硬化效應。疲勞強度升高的主要原因是加工硬化和應變時效硬化。其中應變時效硬化對鋼材的上述硬化效應十分重要。在疲勞極限以下的低應力疲勞試驗中,雖然沒有觀察到宏觀塑性變形,但在低強度組織部位和應力集中的疲勞裂紋前端已局部導入了塑性應變,并且有了發生應變時效的足夠時間(107次循環)。因此,材料在疲勞試驗中被強化、疲勞極限升高。上述硬化效應程度與鋼中碳含量有依存關系。圖2中,碳含量最大的Fe-0.017%C鋼產生顯著的硬化效應。

                      過飽和碳與微小疲勞裂紋擴展停止極限
                      本研究測定了晶內微小裂紋擴展停止極限的應力擴大系數。值得注意的是,0.002%C的IF鋼疲勞裂紋擴展停止極限有顯著提高。這就是說,與傳統鋼相比,如果使鐵素體含有少量的過飽和固溶碳,由于應變時效引起疲勞裂紋前端的動態硬度變化,可顯著提高微小疲勞裂紋擴展停止極限。換言之,水淬使鐵素體中的固溶碳量增加,對于提高鋼的疲勞特性具有重要作用。

                      4 i-s相互作用引起的應變時效現象與疲勞裂紋擴展停止極限
                      鋼鐵材料的主要構成相不僅有鐵素體,奧氏體也是重要的構成相。但是對室溫奧氏體的疲勞問題,過去沒有考慮應變時效的影響。原因是,碳在奧氏體中的擴散速度顯著小于在鐵素體中的擴散速度。但實際上并非如此。近年來有研究報告報道了利用間隙原子(i)-置換原子(s)的相互作用,在奧氏體鋼中也出現了應變時效硬化現象。具體而言,Fe-Mn-C基的奧氏體鋼,由于Mn和C的相互引力作用,產生應變時效硬化效應。這種Fe-Mn-C基奧氏體鋼是因TWIP(孿晶誘發塑性)效應而具有高延性、高強度的鋼。該鋼種的疲勞極限比不含碳的TWIP鋼的疲勞極限高。不含碳的TWIP鋼沒有應變時效硬化現象,疲勞裂紋擴展不能停止,而Fe-Mn-C基奧氏體TWIP鋼在疲勞極限時,疲勞裂紋擴展停止。圖3是Fe-Mn-C基的TWIP鋼與無應變時效的奧氏體鋼的疲勞壽命的比較。Fe-Mn-C基TWIP鋼的疲勞極限時的疲勞壽命長。原因是,在低應力條件下,由于應變時效硬化的作用,Fe-Mn-C基奧氏體TWIP鋼中微小疲勞裂紋的擴展速度較小。這就是說,通過產生應變時效硬化的合金設計,可以提高奧氏體鋼的疲勞極限和接近疲勞極限時的疲勞壽命。過去,沒有進行通過產生應變時效硬化的合金設計,提高奧氏體鋼疲勞極限的嘗試,現在可以通過添加合金元素,使鋼產生應變時效硬化來提高鋼的疲勞特性。

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