搜索
1华东交通大学机电工程学院材料加工课题组低、高周疲劳试验中双相不锈钢短裂纹扩展行为的研究主讲：XXX2015年5月7日1目录一二三四华东交通大学机电工程学院材料加工课题组双相不锈钢的简介试验的目的、设备和过程试验的结果与分析试验的结论2一、双相不锈钢的简介华东交通大学机电工程学院材料加工课题组双相不锈钢的简介双相不锈钢（DuplexStainlessSteel，简称DSS），指铁素体与奥氏体各约占50%，一般较少相的含量最少也需要达到30%的不锈钢。成分见表1.该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点。与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。它的主要特点是屈服强度可达400-550MPa，是普通不锈钢的2倍，因此可以节约用材，降低设备制造成本。表1本试验采用的双相不锈钢的质量成分3二、试验的目的、设备和过程华东交通大学机电工程学院材料加工课题组试验的目的、设备和过程试验目的：研究脆化双相不锈钢在低、高周疲劳实验中的疲劳损伤演变的特点。主要的试验设备：疲劳拉伸试验机（型号不详）扫描电子显微镜（含电子背散射衍射系统，即EBSD系统）透射电子显微镜高分辨率的CCD相机维氏硬度计长焦QUESTAR光学显微镜4二、试验的目的、设备和过程华东交通大学机电工程学院材料加工课题组试验的目的、设备和过程试验过程：采用德国标准DIN1.4462，在低、高周疲劳实验中对双相不锈钢的短疲劳裂纹行为进行显微研究。1、热处理：为了提高钢的晶粒尺寸，将钢材置于1250℃中均质处理4小时；随后缓慢冷却到1050℃，最后水淬。该组织的奥氏体和铁素体比例均衡，两相平均晶粒尺寸大约为30μm。最后，将材料在475℃中时效处理100小时，以获得维氏硬度为254HV奥氏体和465HV的铁素体，见表2。表2退火和时效处理后材料的拉伸性能5二、试验的目的、设备和过程华东交通大学机电工程学院材料加工课题组试验的目的、设备和过程试验过程：2、电解抛光：因为EBSD分析要求试样表面光滑无缺陷。电解质组成为：8%高氯酸、70%乙醇、10%二甘醇单丁醚和12%的蒸馏水。试样如图1所示：图1试样的尺寸示意图图1a圆柱扁切口的试样进行低周疲劳(LCF)试验；图1b试样被用于高周疲劳(HCF)试验。6二、试验的目的、设备和过程华东交通大学机电工程学院材料加工课题组试验的目的、设备和过程试验过程：3、疲劳实验3.1低周疲劳：使用一个高分辨率CCD相机系统地观测其试样的平切口部分，用图像记录和储存微裂纹的起源、生长和扩展。3.2高周疲劳：将一个长焦QUESTAR光学显微镜耦合到数码相机中，对试样的浅凹口处进行观察。3.3试验参数：σ=400MPa，应力比R=-1和频率f=10Hz。3.4观察记录：定期停止试验(at80%ofσmax)，记录数据，并以饱和压力下降10%作为断裂的判据。7二、试验的目的、设备和过程华东交通大学机电工程学院材料加工课题组试验的目的、设备和过程试验过程：4、切片观察4.1制备薄片：薄片取自平行于试样轴向的不同深度的切片。4.2SEM观察：EBSD技术（电子背散射衍射技术）被用来确定奥氏体和铁素体相的分布和其晶体取向。4.3TEM观察：在100kV下，采用明场像研究内部的位错结构；其衍射花样可被用来确定晶粒取向和主要晶体方向。8三、试验的结果与分析华东交通大学机电工程学院材料加工课题组试验的结果与分析低周疲劳：图2显示了低周疲劳断裂后切口区域的表面损伤。图2低周疲劳表面扫描电镜显微图9三、试验的结果与分析华东交通大学机电工程学院材料加工课题组试验的结果与分析低周疲劳：由EBDS获得的晶粒结构图和CCD相机记录的疲劳损伤断裂图像相互叠加,可以分析与表征微裂纹的萌生和扩展。此外,活跃的滑移面和相应的施密特因子可以被标识。如图3所示。微裂纹起源于铁素体的施密特因子（SF）最高的滑移面或α/α晶界。接着，裂纹沿着相邻晶粒（铁素体或奥氏体）施密特因子最高的滑移面进行扩展。10三、试验的结果与分析华东交通大学机电工程学院材料加工课题组试验的结果与分析低周疲劳：微裂纹起源于α/α晶界(画圆圈部分、晶粒2-3)。首先，在上面一部分，裂纹在α-γ相界面(晶粒1-2)被约束，而这个裂纹将扩展到较低的晶粒(晶粒4)，直到第二个α-γ相界处(晶粒4-5)。经过几个循环周期后，在上面的奥氏体晶粒（晶粒1）和下面的奥氏体晶粒（晶粒5）的两条裂纹依旧分别被拘束。图3低周疲劳EBSD和CCD相机叠加的图像11三、试验的结果与分析华东交通大学机电工程学院材料加工课题组试验的结果与分析低周疲劳：图3的插图表示了微裂纹增长和循环周次的关系。微裂纹在铁素体中的传播速度较快，经过相界的时候会减速或者保持原速，随后再次加速扩展，裂纹进入奥氏体晶粒后，速度会放缓（由于α相和γ相塑性不同的缘故）。值得一提的是，在低周疲劳实验中，微裂纹随着施密特因子最高的滑移面进行扩展。12三、试验的结果与分析华东交通大学机电工程学院材料加工课题组试验的结果与分析低周疲劳：图4a表示了铁素体中位错结构的分布。当裂纹从γ相到达相界时，如图5a圆圈所示，一个显微带脱离了原来的方向，继续沿着相邻晶粒α的其它滑移面进行扩展。图4a铁素体中位错结构的分布13三、试验的结果与分析华东交通大学机电工程学院材料加工课题组试验的结果与分析低周疲劳：图4b表示了显微带穿越α-γ相边界。一条显微带穿越了α-γ相界，偏离了原来方向的几个维度，分别在铁素体中以{112}滑移面和奥氏体中以{111}滑移面进行扩展。图4b显微带穿越相边界14三、试验的结果与分析华东交通大学机电工程学院材料加工课题组试验的结果与分析低周疲劳：图4c表示了位错带被拘束在了α-γ相边界。图中可看出α相中的大量位错带并没有穿过α-γ相界，传递到γ相，而是被拘束在了α-γ相界，不得进一步扩展。因为γ相的塑性较好，在α-γ相界产生位错塞积。图4c位错带被拘束在相边界15三、试验的结果与分析华东交通大学机电工程学院材料加工课题组试验的结果与分析高周疲劳：在高周疲劳实验中,奥氏体相出现了第一个滑移标记，铁素体晶粒则较不明显。随着循环周次的增加，奥氏体相的滑移线增加，一些滑移线扩展到了相邻的铁素体晶粒，或者被拘束在了晶粒的边界。在铁素体相中的滑移线扩展到了相邻的铁素体晶粒或者被拘束在α-γ的边界。关于微裂纹行为,观察到了三种不同的情况:(1)起源于α-α边界;(2)起源于α-γ边界，并在α晶粒中沿着一条滑移线扩展，直到遇到下一个障碍；(3)在某些情况下（较少）,裂纹沿α晶粒的单一滑移面扩展到相邻的奥氏体晶粒。16三、试验的结果与分析华东交通大学机电工程学院材料加工课题组试验的结果与分析高周疲劳：图5a显示了高周疲劳断裂后切口区域的表面损伤。图5a高周疲劳表面扫描电镜显微图17三、试验的结果与分析华东交通大学机电工程学院材料加工课题组试验的结果与分析高周疲劳：图5b表示在α-γ相界的单一裂纹核沿着SF=0.43的{101}滑移面扩展到下一个α-γ相界。在这里经过多个循环周期后，裂纹的扩展依旧是被拘束的，见图5c。图5bEBSD晶粒图和相机拍摄的损伤图的叠加图5c高周疲劳周次和裂纹扩展的关系图18三、试验的结果与分析华东交通大学机电工程学院材料加工课题组试验的结果与分析高周疲劳：图6a表示由于位错塞积导致高应力集中的区域。高周疲劳损伤一般从较软的奥氏体相中产生，其次是从奥氏体滑移带相交的相界产生。高周疲劳中，临近α-γ相界的α相将会表现为微屈服，而γ相由于低密度的位错塞积将导致应力集中产生。此处将为微裂纹的产生提供条件。注：一般α相塑性较差；γ相塑性较好。图6a位错塞积导致高应力集中的区域19三、试验的结果与分析华东交通大学机电工程学院材料加工课题组试验的结果与分析高周疲劳：图6b表示高应力集中区域形成后，相邻铁素体相的滑移系变得活跃。α-γ相界产生微裂纹后，将沿着α相最容易扩展的滑移面进行传播，到达下一个α-γ相界后被约束。图6b相邻铁素体相活跃的滑移系20四、试验的结论华东交通大学机电工程学院材料加工课题组试验的结论低周疲劳：1、微裂纹起源于铁素体的施密特因子最高的滑移面或α/α晶界；接着，裂纹沿着相邻晶粒（铁素体或奥氏体）施密特因子最高的滑移面进行扩展。2、显微带平行于最有利于滑动的平面进行扩展，当到达相界时，显微带将改变方向跨越几个维度穿越边界，在相邻晶粒的其它滑移面继续扩展。3、显微带似乎是最有利于微裂纹萌生的位错结构。21四、试验的结论华东交通大学机电工程学院材料加工课题组试验的结论高周疲劳：1、SEM和TEM结果分析表明：高周疲劳中，奥氏体是比较活跃的相，铁素体的微屈服现象只能通过TEM观察得到。2、裂纹萌生于奥氏体或者奥氏体交叉滑移带相交的α-γ相界。而在铁氧体中，微裂纹沿着施密特因子最高的单一滑移面进行扩展；对于奥氏体而言，裂纹的扩展起初按照双滑移机制进行，后来转变为在施密特因子最高的单一滑移面进行。在以上两种疲劳机制中,α-γ相界是阻碍裂纹扩展的最大屏障。22参考文献华东交通大学机电工程学院材料加工课题组参考文献2324华东交通大学机电工程学院材料加工课题组主讲：张枝森2015年5月7日24