華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院材料加工課題組低、高周疲勞試驗(yàn)中雙相不銹鋼短裂紋擴(kuò)展行為的研究主講：XXX2015年5月7日目錄一二三四華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院材料加工課題組雙相不銹鋼的簡介試驗(yàn)的目的、設(shè)備和過程試驗(yàn)的結(jié)果與分析試驗(yàn)的結(jié)論2可編輯ppt一、雙相不銹鋼的簡介華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院材料加工課題組雙相不銹鋼的簡介雙相不銹鋼（DuplexStainlessSteel，簡稱DSS），指鐵素體與奧氏體各約占50%，一般較少相的含量最少也需要達(dá)到30%的不銹鋼。成分見表1.該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)。與鐵素體相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高。與奧氏體不銹鋼相比，強(qiáng)度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕有明顯提高。它的主要特點(diǎn)是屈服強(qiáng)度可達(dá)400-550MPa，是普通不銹鋼的2倍，因此可以節(jié)約用材，降低設(shè)備制造成本。表1本試驗(yàn)采用的雙相不銹鋼的質(zhì)量成分3可編輯ppt二、試驗(yàn)的目的、設(shè)備和過程華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院材料加工課題組試驗(yàn)的目的、設(shè)備和過程試驗(yàn)?zāi)康模貉芯看嗷p相不銹鋼在低、高周疲勞實(shí)驗(yàn)中的疲勞損傷演變的特點(diǎn)。主要的試驗(yàn)設(shè)備：疲勞拉伸試驗(yàn)機(jī)（型號不詳）掃描電子顯微鏡（含電子背散射衍射系統(tǒng)，即EBSD系統(tǒng)）透射電子顯微鏡高分辨率的CCD相機(jī)維氏硬度計(jì)長焦QUESTAR光學(xué)顯微鏡4可編輯ppt二、試驗(yàn)的目的、設(shè)備和過程華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院材料加工課題組試驗(yàn)的目的、設(shè)備和過程試驗(yàn)過程：采用德國標(biāo)準(zhǔn)DIN1.4462，在低、高周疲勞實(shí)驗(yàn)中對雙相不銹鋼的短疲勞裂紋行為進(jìn)行顯微研究。1、熱處理：為了提高鋼的晶粒尺寸，將鋼材置于1250℃中均質(zhì)處理4小時(shí)；隨后緩慢冷卻到1050℃，最后水淬。該組織的奧氏體和鐵素體比例均衡，兩相平均晶粒尺寸大約為30μm。最后，將材料在475℃中時(shí)效處理100小時(shí)，以獲得維氏硬度為254HV奧氏體和465HV的鐵素體，見表2。表2退火和時(shí)效處理后材料的拉伸性能5可編輯ppt二、試驗(yàn)的目的、設(shè)備和過程華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院材料加工課題組試驗(yàn)的目的、設(shè)備和過程試驗(yàn)過程：2、電解拋光：因?yàn)镋BSD分析要求試樣表面光滑無缺陷。電解質(zhì)組成為：8%高氯酸、70%乙醇、10%二甘醇單丁醚和12%的蒸餾水。試樣如圖1所示：圖1試樣的尺寸示意圖圖1a圓柱扁切口的試樣進(jìn)行低周疲勞(LCF)試驗(yàn)；圖1b試樣被用于高周疲勞(HCF)試驗(yàn)。6可編輯ppt二、試驗(yàn)的目的、設(shè)備和過程華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院材料加工課題組試驗(yàn)的目的、設(shè)備和過程試驗(yàn)過程：3、疲勞實(shí)驗(yàn)3.1

低周疲勞：使用一個(gè)高分辨率CCD相機(jī)系統(tǒng)地觀測其試樣的平切口部分，用圖像記錄和儲(chǔ)存微裂紋的起源、生長和擴(kuò)展。3.2高周疲勞：將一個(gè)長焦QUESTAR光學(xué)顯微鏡耦合到數(shù)碼相機(jī)中，對試樣的淺凹口處進(jìn)行觀察。3.3試驗(yàn)參數(shù)：σ=400MPa，應(yīng)力比R=-1和頻率f=10Hz。3.4觀察記錄：定期停止試驗(yàn)(at80%ofσmax)，記錄數(shù)據(jù)，并以飽和壓力下降10%作為斷裂的判據(jù)。7可編輯ppt二、試驗(yàn)的目的、設(shè)備和過程華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院材料加工課題組試驗(yàn)的目的、設(shè)備和過程試驗(yàn)過程：4、切片觀察

4.1

制備薄片：薄片取自平行于試樣軸向的不同深度的切片。4.2SEM觀察：EBSD技術(shù)（電子背散射衍射技術(shù)）被用來確定奧氏體和鐵素體相的分布和其晶體取向。4.3TEM觀察：在100kV下，采用明場像研究內(nèi)部的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)；其衍射花樣可被用來確定晶粒取向和主要晶體方向。8可編輯ppt三、試驗(yàn)的結(jié)果與分析華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院材料加工課題組試驗(yàn)的結(jié)果與分析低周疲勞：圖2顯示了低周疲勞斷裂后切口區(qū)域的表面損傷。圖2低周疲勞表面掃描電鏡顯微圖9可編輯ppt三、試驗(yàn)的結(jié)果與分析華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院材料加工課題組試驗(yàn)的結(jié)果與分析低周疲勞：由EBDS獲得的晶粒結(jié)構(gòu)圖和CCD相機(jī)記錄的疲勞損傷斷裂圖像相互疊加,可以分析與表征微裂紋的萌生和擴(kuò)展。此外,活躍的滑移面和相應(yīng)的施密特因子可以被標(biāo)識。如圖3所示。微裂紋起源于鐵素體的施密特因子（SF）最高的滑移面或α/α晶界。接著，裂紋沿著相鄰晶粒（鐵素體或奧氏體）施密特因子最高的滑移面進(jìn)行擴(kuò)展。10可編輯ppt三、試驗(yàn)的結(jié)果與分析華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院材料加工課題組試驗(yàn)的結(jié)果與分析低周疲勞：微裂紋起源于α/α晶界(畫圓圈部分、晶粒2-3)。首先，在上面一部分，裂紋在α-γ相界面(晶粒1-2)被約束，而這個(gè)裂紋將擴(kuò)展到較低的晶粒(晶粒4)，直到第二個(gè)α-γ相界處(晶粒4-5)。經(jīng)過幾個(gè)循環(huán)周期后，在上面的奧氏體晶粒（晶粒1）和下面的奧氏體晶粒（晶粒5）的兩條裂紋依舊分別被拘束。圖3低周疲勞EBSD和CCD相機(jī)疊加的圖像11可編輯ppt三、試驗(yàn)的結(jié)果與分析華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院材料加工課題組試驗(yàn)的結(jié)果與分析低周疲勞：圖3的插圖表示了微裂紋增長和循環(huán)周次的關(guān)系。微裂紋在鐵素體中的傳播速度較快，經(jīng)過相界的時(shí)候會(huì)減速或者保持原速，隨后再次加速擴(kuò)展，裂紋進(jìn)入奧氏體晶粒后，速度會(huì)放緩（由于α相和γ相塑性不同的緣故）。值得一提的是，在低周疲勞實(shí)驗(yàn)中，微裂紋隨著施密特因子最高的滑移面進(jìn)行擴(kuò)展。12可編輯ppt三、試驗(yàn)的結(jié)果與分析華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院材料加工課題組試驗(yàn)的結(jié)果與分析低周疲勞：圖4a表示了鐵素體中位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的分布。當(dāng)裂紋從γ相到達(dá)相界時(shí)，如圖5a圓圈所示，一個(gè)顯微帶脫離了原來的方向，繼續(xù)沿著相鄰晶粒α的其它滑移面進(jìn)行擴(kuò)展。圖4a鐵素體中位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的分布13可編輯ppt三、試驗(yàn)的結(jié)果與分析華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院材料加工課題組試驗(yàn)的結(jié)果與分析低周疲勞：圖4b表示了顯微帶穿越α-γ相邊界。一條顯微帶穿越了α-γ相界，偏離了原來方向的幾個(gè)維度，分別在鐵素體中以{112}滑移面和奧氏體中以{111}滑移面進(jìn)行擴(kuò)展。圖4b顯微帶穿越相邊界14可編輯ppt三、試驗(yàn)的結(jié)果與分析華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院材料加工課題組試驗(yàn)的結(jié)果與分析低周疲勞：圖4c表示了位錯(cuò)帶被拘束在了α-γ相邊界。圖中可看出α相中的大量位錯(cuò)帶并沒有穿過α-γ相界，傳遞到γ相，而是被拘束在了α-γ相界，不得進(jìn)一步擴(kuò)展。因?yàn)棣孟嗟乃苄暂^好，在α-γ相界產(chǎn)生位錯(cuò)塞積。圖4c位錯(cuò)帶被拘束在相邊界15可編輯ppt三、試驗(yàn)的結(jié)果與分析華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院材料加工課題組試驗(yàn)的結(jié)果與分析高周疲勞：在高周疲勞實(shí)驗(yàn)中,奧氏體相出現(xiàn)了第一個(gè)滑移標(biāo)記，鐵素體晶粒則較不明顯。隨著循環(huán)周次的增加，奧氏體相的滑移線增加，一些滑移線擴(kuò)展到了相鄰的鐵素體晶粒，或者被拘束在了晶粒的邊界。在鐵素體相中的滑移線擴(kuò)展到了相鄰的鐵素體晶?；蛘弑痪惺讦?γ的邊界。關(guān)于微裂紋行為,觀察到了三種不同的情況:(1)起源于α-α邊界;(2)起源于α-γ邊界，并在α晶粒中沿著一條滑移線擴(kuò)展，直到遇到下一個(gè)障礙；(3)在某些情況下（較少）,裂紋沿α晶粒的單一滑移面擴(kuò)展到相鄰的奧氏體晶粒。16可編輯ppt三、試驗(yàn)的結(jié)果與分析華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院材料加工課題組試驗(yàn)的結(jié)果與分析高周疲勞：圖5a顯示了高周疲勞斷裂后切口區(qū)域的表面損傷。圖5a高周疲勞表面掃描電鏡顯微圖17可編輯ppt三、試驗(yàn)的結(jié)果與分析華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院材料加工課題組試驗(yàn)的結(jié)果與分析高周疲勞：圖5b表示在α-γ相界的單一裂紋核沿著SF=0.43的{101}滑移面擴(kuò)展到下一個(gè)α-γ相界。在這里經(jīng)過多個(gè)循環(huán)周期后，裂紋的擴(kuò)展依舊是被拘束的，見圖5c。圖5bEBSD晶粒圖和相機(jī)拍攝的損傷圖的疊加圖5c高周疲勞周次和裂紋擴(kuò)展的關(guān)系圖18可編輯ppt三、試驗(yàn)的結(jié)果與分析華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院材料加工課題組試驗(yàn)的結(jié)果與分析高周疲勞：圖6a表示由于位錯(cuò)塞積導(dǎo)致高應(yīng)力集中的區(qū)域。高周疲勞損傷一般從較軟的奧氏體相中產(chǎn)生，其次是從奧氏體滑移帶相交的相界產(chǎn)生。高周疲勞中，臨近α-γ相界的α相將會(huì)表現(xiàn)為微屈服，而γ相由于低密度的位錯(cuò)塞積將導(dǎo)致應(yīng)力集中產(chǎn)生。此處將為微裂紋的產(chǎn)生提供條件。注：一般α相塑性較差；γ相塑性較好。圖6a位錯(cuò)塞積導(dǎo)致高應(yīng)力集中的區(qū)域19可編輯ppt三、試驗(yàn)的結(jié)果與分析華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院材料加工課題組試驗(yàn)的結(jié)果與分析高周疲勞：圖6b表示高應(yīng)力集中區(qū)域形成后，相鄰鐵素體相的滑移系變得活躍。α-γ相界產(chǎn)生微裂紋后，將沿著α相最容易擴(kuò)展的滑移面進(jìn)行傳播，到達(dá)下一個(gè)α-γ相界后被約束。圖6b相鄰鐵素體相活躍的滑移系20可編輯ppt四、試驗(yàn)的結(jié)論華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院材料加工課題組試驗(yàn)的結(jié)論低周疲勞：1、微裂紋起源于鐵素體的施密特因子最高的滑移面或α/α晶界；接著，裂紋沿著相鄰晶粒（鐵素體或奧氏體）施密特因子最高的滑移面進(jìn)行擴(kuò)展。2、顯微帶平行于最有利于滑動(dòng)的平面進(jìn)行擴(kuò)展，當(dāng)?shù)竭_(dá)相界時(shí)，顯微帶將改變方向跨越幾個(gè)維度穿越邊界，在相鄰晶粒的其它滑移面繼續(xù)擴(kuò)展。3、顯微帶似乎是最有利于微裂紋萌生的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。21可編輯ppt四、試驗(yàn)的結(jié)論華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院材料加工課題組試驗(yàn)的結(jié)論高周疲勞：1、SEM和TEM結(jié)果分析表明：高周疲勞中，奧氏體是比較活躍的相，鐵素體的微屈服現(xiàn)象只能通過TEM觀察得到。2、裂紋萌生于奧氏體或者奧氏體交叉滑移帶相