（材料学专业论文）30crmoa钢低周疲劳特性及其微观机理的研究.pdf

西南交通大学研究生学位论文第1 页 摘要 y 3 1 8 7 占 ， ( 我国高速列车空心轴所用材料为3 0 c r m o a 钢，空心轴在列车高速运行中 不可避免地承受低周疲劳。低周疲劳一直是材料科学的前沿研究领域之一。因 此对3 0 c r m o a 钢的低周疲劳及其微结构的研究有重要的理论意义和工程应用 价值。， 本文采用宏、微观试验相结合的方法对3 0 c r m o a 钢进行各应变幅值下的 低周疲劳试验，并观察材料在各种循环加载条件下的微结构。在此基础上，深 入探讨了循环软化的微观机理，研究了应变幅值历史、应变频率历史、应变幅 值交互作用对低周疲劳影响的微观机理。 y 试验结果表明，随应变幅值增加，循环软化和软化速率增加，低周疲劳寿 命缩短；材料的循环应力峋应对循环幅值历史及应变频率历史具有 己忆效应， 且这种记忆是完全衰减记忆。先前较小应变幅值循环延长了后继较大应变幅值 循环的低周疲劳寿命；而先前较大应变幅值循环缩短了后继较小应变幅值循环 的低周疲劳寿命。 微观试验结果表明，材料的位错结构依赖于循环应变幅值、应变幅值历史、 应变频率历史以及应变幅值交互作用。应变幅值增加，在循环饱和阶段，n - f e 基体中的位错密度升高，第二相粒子周围的位错密度降低；先前较大应变幅值 循环降低了后继较小应变幅值的位错密度，高应变速率加载有利于后继较小应 变速率加载时的胞状位错结构形成；先前较小应变幅值循环至半寿命，降低了 材料中的位错密度，使位错分布趋于均匀。 c h e n g d u9 6 0 7 09 96 西南交通大学研究生学位论文 翔i 页 微观机理研究表明，循环饱和是位错湮灭和增殖达到动态平衡的结果，循 环软化是由于位错密度降低并形成低能胞状位错结构所致。在应变幅值交互作 用下，由于先前应变幅值循环至半寿命所形成的位错形态及分布的差异导致在 ， 不同应变幅值交互作用下低周疲劳寿命不哥7 7 7 。 吣 【关键词】3 0 c r m o a 钢低周疲劳位错结构循环软化应变幅值交互 作用 c h e n g d u9 6 0 7 0 9 96 耍堕銮堕奎堂堕塑圭堂鱼笙壅塑! 墨 a b s t r a c t f a t i g u e i so n eo fm a i nc a u s e so ff a i l u r ei ne n g i n e e r i n g s t r u c t u r e 。r e s e a r c h e s o nl o w c y c l ef a t i g u eo fm a t e r i a l so fe s s e n t i a lc o m p o n e n t su s e di n h i g h - s p e e d t r a i n sa r eo n eo fb a s i cr e s e a r c ht o p i c ，w h i c hi st oe n s u r et h et r a i n st o t r a v e l m o r e s a f e l y 3 0 c r m o a s t e e li su s e dt of a b r i c a t eh o l l o wa x i so f h i g h - s p e e d t r a i n s t h e s t u d y o ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e l o w - c y c l ef a t i g u e a n di t s m i c r o m a c h a n i s mo f3 0 c r m o as t e e li so f g r e a tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d t r e m e n d o u sv a l u ef a r e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n o nt h ec o n d i t i o no fv a r i o u ss t r a i na m p l i t u d e s ，s t r a i na m p l i t u d eh i s t o r y , s t r a i n f r e q u e n c yh i s t o r ya n ds t r a i nm u t u a le f f e c t i n g ，a s e r i e so fl o w c y c l e f a t i g u ee x p e r i m e n t s a r ec a r r i e do u t t h i sp a p e ri s m a i n l yc o n c e r n e dw i t ht h e o b s e r v a t i o no f m i c r o s t r u c t u r e s ，m i c r o m a c h e n i s m so f c y c l i cs o f t e n i n g o f 3 0 c r m o as t e e l ，s t r a i na m p l i t u d eh i s t o r y ，s t r a i n f r e q u e n c yh i s t o r ya n ds t r a i n m u t u a l e l f c o t i n g t h ed e t a i l e dr e s e a r c hc o n s i s t so fs e v e r a lp a r t sa sf o l l o w i n g ： e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h es t r e s s a m p l i t u d e r i s e s a l o n g w i t h i n c r e a s i n g t h es t r a i n a m p l i t u d e - 3 0 c r m o a s t e e l a p p e a r s o b v i o u s c y c l i c s a t u r a t i o na n d c y c l i cs o f t e n i n gd u r i n g t h e l o w - c y c l ef a t i g u e t h e s t r e s s a m p l i t u d ed e c r e a s e sw i t hr e d u c i n gt h es t r a i na m p l i t u d eo w i n gt ot h ee f f e c to f s t r a i na m p l i t u d eh i s t o r y s i m i l a r l y , t h es t r e s sa m p l i t u d ed e c r e a s e sb e c a u s eo f t h ee f f e c to fs t r a i nf r e q u e n c yh i s t o r y f a t i g u el i f ei sr e d u c e di n r e s p e c tt h a t c h e n g d u9 6 0 7 09 9 ，6 堕塑至望奎兰型塞竺堂堡堡奎 笙! ! 墨 h i g h l o ws t r a i na m p l i t u d em u t u a le f f e c t i n g 。f a t i g u el i f ei sp r o l o n g e db e c a u s eo f l o w h i g hs t r a i na m p l i t u d e m u t u a l e f f e c t i n g m i c r o s t r u c t u r e so fa l if a t i g u e ds p e c i m e n sa r eo b s e r v e dw i t ht r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p e ( t e m ) t h em i c r o s t r u c t u r er e s u l t so b t a i n e dw i t ht e m i n d i c a t et h a ti nt h ec y c l i cs a t u r a t i o ns t a g et h ed i s l o c a t i o nd e n s i t ya r o u n de a c h p r e c i p i t a t ep a r t i c l er e d u c e sa n d t h ed i s l o c a t i o nd e n s i t yi nt h ef e r r i t ei n c r e a s e h o w e v e r , t i l ed i s l o c a t i o nd e n s i t yi nt h ef e r r i t ea p p e a r st oh a v eb e e nr e d u c e d a n dt i l ed i s l o c a t i o n sh a v er e a r r a n g e dt h e m s e l v e si n t oc e l ls t r u c t u r e sa s c y c l i c s o f t e n i n ga p p e a r s b e c a u s eo fs t r a i na m p l i t u d e f r e q u e n c yh i s t o r ye f f e c t i n g ，c e l l d i s l o c a t i o ns t r u c t u r e sa p p e a rw i t haf e wo f c y c l i cn u m b e r s d i s l o c a t i o nc e l la n d d i s l o c a t i o nt a n g l ei sf o r m e d d i f f e r e n t l yw i t hv a r i o u sp a t h s c y c l i cs o f t e n i n g f o rv a r i o u ss t r a i n a m p l i t u d e s r e s u l t si nf r o m r e a r r a n g e m e n t o fd i s l o c a t i o ns u b s t r u c t u r ea n dr e d u c f i o uo fd i s l o c a t i o nd e n s i t y t i l em u t u a la n n i h i l a t i o no fd i s l o c a t i o n s l e a d st ot h ed i s l o c a t i o n d e n s i t y r e d u c t i o n i ti ss h o w nt h a t c y c l i cs o f t e n i n gi s ad i s l o c a t i o n r e a r r a n g e m e n t p r o c e s s i n d u c e d b yc y c l i c d i s t o r t i o na n df o r m sl o w e n e r g y d i s l o c a t i o n s t r u c t u r e s t i l ec e l li so n eo ft i l el o w e n e r g y d i s l o c a t i o ns t r u c t u r e s i ti s e q u i l i b r i u ms t r u c t u r e 【k e yw o r d s l 3 0 c r m o as t e e l c y c l i cs o f t e n i n g d i s l o c a t i o nd e n s i t y l o w e n e r g yd i s l o c a t i o ns t r u c t u r e s l o w c y c l ef a t i g u e c h e n g d u9 6 0 7 0 9 96 西南交通大学研究生学位论文第2 页 第一章：绪论 不少工程构件在整个工作过程中只受到有限次变动荷载的作用即发生疲劳 断裂，这就是所谓的低周疲劳现象。低周疲劳是相对于高周疲劳而言的，它们 两者之间没有严格的界限，其主要区别在于低周疲劳构件承受的应力接近或超 过屈服极限，而高周疲劳的工作应力在弹性区，因此低周疲劳也称为塑性疲劳 或应变疲劳。在实际中，某些构件虽然总体受力处于弹性范围，但某些部位存 在应力集中，在应力集中区材料已进入塑性变形状态，也会发生低周疲劳失效。 由于低周疲劳失效危害大，广泛发生于工农业生产的各个领域，因而受到 世界各国的普遍重视，己成为疲劳研究的重要方向。近二十年来，随着现代分 膏。 析技术水平的不断提高，对低周疲劳现象的研究进展很快，并取得很多的成果， 为保证材料服役期的安全可靠，延长构件的寿命起到了不可估量的作用。 然而，由于低周疲劳现象本身存在的复杂性及其涉及多个学科领域，迄今 为止，人们仍不能完全掌握它的物理本质和变化规律，还不能从根本上防止低 周疲劳破坏引起的事故。因而对材料低周疲劳现象的研究仍是长期而艰巨的任 务。目前用宏观、微观试验相结合的方法来揭示低周疲劳行为的内在本质和规 律是重要的研究方法之一受到国内外学者的广泛重视，并取得许多重要成果， 尤其是对材料微观机理的研究，更是取得了长是的进步。 1 1 本文选题的目的和意义 工程中有些结构和零件如压力容器、高压管道、飞机起落架及核反应堆等， 在服役过程中承受的应力水平很高，甚至超过材料的屈服极限，经很短的循环 c h e n g d u 9 6 0 7 0 9 96 西南交通大学研究生学位论文第3 页 周次后即发生疲劳破坏。有些零件在启动、加速或减速过程中受到的各种瞬间 机械应力迭加在一起，构成严重的周期性复合应力循环，致使零件的关键部位 在塑性应变范围工作”1 。因此，尽管从整体上说，材料仍处于弹性应变范围， 但在这些存在应力集中或是承受最大应力的部位，材料却已进入塑性状态，此 时，塑性应变就成为控制材料疲劳行为的主要因素。 对疲劳断裂的分析和研究结果表明 2 1 ，疲劳断裂总是起因于关键部位应 力或应变集中区材料的循环塑性应变。在加载过程中，裂纹在这些关键区域的 薄弱点上形核，之后在塑性区扩展直至断裂，显然零件的使用寿命取决于这些 关键部位的寿命，因此，对于低周疲劳的研究，不仅可以对零件的低周疲劳寿 命进行估算，而且在指导工程构件的设计中也具有十分重要的意义。 我国目前正在研制高速列车，为了提高列车的速度，减轻簧下重量是一个 重要的课题。所谓簧下重量是与钢轨接触并对钢轨产生冲击力的那一部分重 量，即车轮、车轴、轴承、轴箱、齿轮等的合计重量1 3 。采用空心轴是日自口所 应用的减轻簧下重量的重要方法之一。作为高速列车安全运行的重要部件，如 果出现疲劳损伤并且扩展，就会因断轴而造成列车脱轨的事故发生。因此，对 空心轴的疲劳进行研究，尤其是在低周疲劳方面的研究，是保证高速列车安全 可靠运行的必不可少的基础研究课题之一。 高速列车用空心轴，在车辆运行过程中承受复杂的交变荷载，主要有车辆 的自重、水平力以及水平力产生的轴颈垂直力和作用于轨项的力等【4 】，其主 要失效形式为疲劳破坏，在高速运行中，它的受力情况更加复杂，从整体上讲 空心轴的变形处于弹性应变范围，其疲劳寿命大于l o5 周，属于高周疲劳。然 而在实际工作中，由于各种应力的叠加作用，在应力集中区空心轴的变形可能 c h c n g d u9 6 0 7 09 96 西南交通大学研究生学位论文第4 页 已进入塑性状态，如果不加以维护，有可能产生低周疲劳断裂，其后果是不可 想象的，因此，对空心轴材料的低周疲劳研究受到各国的普遍重视，并得到极 大的发展。目前，我国准备采用3 0 c r m o a 钢制造高速列车空心轴，3 0 c r m o a 钢是一种淬透性较好的钢，具有良好的强度和韧性配合，常用于制造截面较大 和受大负荷的零件1 5 i ，这种材料基本接近高速列车空心轴性能的要求。研究 3 0 c r m o a 钢低周疲劳特性及其微观组织结构的变化规律，对于空心轴的设计 以及保证列车的安全运行，具有十分重要的意义，尤其是在现阶段我国铁路高 速化进程中，更具有不可估量的实际应用价值。当然，高速列车空心轴的受力 情况是相当复杂的，不是可以用单轴拉压低周疲劳试验就可以模拟的，这利t 疲 劳试验的加载方式与空心轴的实际受力情况相去甚远，仅进行单轴拉压低周疲 劳研究是远远不够的，也不可能将它作为设计的唯一依据。然而作为基础研究 课题，它是必不可少的，只有在这项研究的基础上才有可能深入分析复杂受力 情况下的疲劳性能，才有可能制订出空心轴疲劳寿命设计标准，完善工艺过程。 因此，这项基础研究是不可忽视的。 本文通过对3 0 c r m o a 钢宏观低周疲劳性能的试验，以及对材料低周疲劳 过程中内部细微观组织结构的观察，将宏观性能与微观结构的观察结果相结 合，深入研究材料在循环变形过程中逐渐积累损伤以至最后破坏的本质，揭示 循环软化机制，为高速列车空心轴材料的疲劳寿命预测和优化工艺提供理论依 据以及实际可行性标准。 尽管对低周疲劳的研究已有了很大的发展，但仍有许多问题有待于解决。 利料在疲劳损伤过程中的循环软化机制是有待于研究的课题之一，目前对这方 面的研究仍很不足。其他因素，比如应变幅值历史、应变频率历史、以及应变 c h e n g d u9 6 0 7 09 96 西南交通大学研究生学位论文第5 页 幅值交互作用等，对材料低周疲劳性能的影响也有待于进一步研究，这方面的 工作仍比较欠缺。 本文研究各种因素对3 0 c r m o a 钢低周疲劳特性的影响，通过透射电镜 ( t e m ) 对3 0 c r m o a 钢的微结构进行观察，揭示循环软化的机制以及3 0 c r m o a 钢在低周疲劳过程中累积损伤及破坏的微观本质。这在一定程度上丰富了低周 疲劳理论的研究，尤其是对微观机制的研究更具有较大的理论意义。 1 2 材料低周疲劳特性及其微观机理的研究现状 一、材料低周疲劳特性及其影响因素 金属材料的疲劳破坏大致可分为四个过程：循环硬化或循环软化，裂纹萌 生、扩展及最后的断裂。这四个过程相互联系，有时候还有部分的重叠。这四 个部分并不是缺一不可的，所经历的循环周次亦不同。 1 、应变幅值对材料低周疲劳特性的影响 s h i b a t a 等人田”1 在研究奥氏体不锈钢的低周疲劳时发现，材料的循环硬 化、循环软化程度及循环饱和应力幅值随应变幅值的不同而异，随着应变幅值 的增大，循环硬化程度增加，循环软化程度降低，循环饱和应力幅值也相应增 加；在低应变幅值循环时，达到相应的饱和阶段所需的循环周次增加，在高应 变幅值下，达到循环饱和所需的周次较少。他们认为，在不同的应变幅值下材 料循环变形时，因位错之间以及位错与其它晶体缺陷之间的相互作用，形成了 不同的位错亚结构，不同的位错亚结构对应于不同的位错阻力，从而对应不同 的循环应力幅值。应变幅值的增加有利于位错源的开动，同时应变幅值的增加 有利丁不全位错在障碍处合并成全位错而发生交滑移，增加了位错绕过障碍的 c h e n g d u9 6 0 7 09 96 西南交通大学研究生学位论文第6 页 能力，使位错易通过交滑移离开原滑移面而在另一滑移面上运动，不同滑移系 的位错相互作用易形成胞状位错结构，因此应变幅值增加有利于胞状位错结构 的形成。 m e i n g e r 3 9 1 在研究n i z r 合金的低周疲劳变形时发现，随着应变幅值的增 加，材料循环硬化程度升高，循环软化程度降低。t h i e l e n 4 0 1 在研究了i s i n 4 1 4 0 钏低周疲劳时发现随应变幅值的增加，材料的循环软化速率上升。 材料的失效过程由裂纹形核、扩展组成。形成微裂纹的数量对微裂纹的扩 展有重要影响。在外界应力的作用下位错在晶界及障碍物等处形成塞积，当塞 积的位错数目超过某一临界值就会萌生微裂纹。因此激活滑移系越多，位错运 动所受到的阻力越大，微裂纹数量越多，裂纹扩展速率越大 4 1 4 2 i 。 2 、应变幅值历史和应变频率历史对材料低周疲劳特性影响 c h a b o c h e 4 ”和t a n a k a l 4 4 1 首先发现当应变幅值历史变化时，先前较小应变幅 值循环加载剥后继较大应变幅值的循环变形行为没有影响。但先前较大应变幅 值的循环加载对后继较小应变幅值的循环变形行为有较大的影响。 但目前人们对应变幅值历史和应变频率历史效应的微观机理所进行的研究 较少。 二、低周疲劳的位错亚结构 1 、位错亚结构 在材料低周疲劳过程中，发现了有序的位错空间结构，这些结构中位错的 分布特征为高度的规则性与高度的不均匀性。h o i t t 6 1 等人认为位错结构形成的 驱动力是系统自由能减小，而位错结构是一种稳定的低能结构。所以，作为典 型的耗散结构系统，位错结构与材料低周疲劳宏观力学性能及过程( 包括失稳) c h e n g d u9 6 0 7 09 96 西南交通大学研究生学位论文第7 页 密切相关，位错结构是阻止材料进一步变形和破坏的内在能力体现m ，因此， 深入研究材料在低周疲劳过程中位错结构的形成规律，并且对低周疲劳宏观变 形行为给出合理的微观解释，无疑为了解材料变形和破坏的物理本质打下了理 论基础。 金属材料中存在着不同类型的位错亚结构”j ，这些位错亚结构在本质 上都是位错的偏聚，每种结构都有自己的特征。位错滑移带在单轴应力下形 成，实质是单轴位错结构，只需单个滑移系开动，表现为由位错组成的一系列 平行的位错墙，墙的长度方向与位错滑移方向垂直，位错平面排列是在应力很 小的条件下或是在层错能很小的情况下形成的。迷宫状结构由相互垂直的位错 墙组成，受双滑移控制。位错胞状结构大多为二维结构，也可能存在三维结构， 由高密度位错缠结组成的胞壁和胞壁中间的无位错区组成，为多滑移控制。 ( 1 ) 驻留滑移带与平面状排列 材料原始组织中有少量零星分布的位错【l l ”】，在循环载荷作用下，会重新 出现位错偏聚，其主要形式是由相互捕获的初始刃位错组成的偶极子。这些初 始位锚是位错偶极子的偏聚，或者是稳定有序的t a y l o r 点阵的集中，这些刃 型位错偶极子网络称为脉络集，脉络成长条形，其长度方向与初始位错平行。 脉络对主滑移面上的位错运动有一定的阻碍作用，因而对早期硬化有一定的贡 献，增加循环周次会使脉络中位错密度增大，同时使单位体积中的脉络数量增 加。 当应变幅值增大到循环应力一应变曲线的平台时，较大累积应变产生了高 密度位错，位错在往复运动中提高了被捕获的几率，位错结构的不稳定性不仅 出现在试样表面，而且出现于晶体内部应力最高的部位，相应地位错偶极子处 西南交通大学研究生学位论文第8 页 于临界亚稳态分布。基体中的位错促进一些偶极子分解，基体带状结构最终转 化成驻留滑移带结构( p s b s ) 的墙或带，p s b s 形成之后，p s b s 的梯状结构形 成。 单个驻留滑移带称为梯状结构，它的每个阶梯又称为位错墙，墙主要由刃 型位错偶极子组成，墙中问的通道是密度非常低的螺位错区，驻留滑移带可形 成宏观的剪切带，是裂纹形核和起裂的关键因素。在驻留滑移带的形成和扩展 过程中，循环应力儿乎不变，丽随应变幅的增加，它的体积分数不断增大，试 样的整体应变都集中在滑移带内，形成局部化集中变形区。 驻留滑移带的形成是在不同滑移面上的异号刃位错相互捕获形成位错偶极 子以及在同一滑移面上异号螺位错相遇而湮灭综合作用的结果m 】。位错的增 殖、湮灭以及位错偶极子的形成是滑移带形成的可能机制，其中位错偶极子的 形成是驻留滑移带结构形成的关键机制。平面状位错结构的形成是系统内部变 形不均匀的结果，位错增殖是平面状位错结构形成的固有特征，局部不均匀点 位错增殖是平面状位错结构形成的关键因素。 ( 2 ) 迷宫状位错结构 在铜单晶或多晶循环变形的剪应力一剪应变曲线的平台区，在高应变幅值 阶段，首先发现了迷宫状位错结构】。迷宫状位错结构由两套相互垂直的位错 墙组成，成“l ”型或“t ”型分布，迷宫状位错结构要求有第二滑移系的开动， 由两组具有正交柏氏矢量的位错组成。d i c k s o n ”l 在基于几何讨论的基础上， 对迷宫结构中墙的出现作出了合理的解释，他们都考虑了矩形的位错环对三维 堆垛的影响，指出几何上最有利的位错堆垛方向与在许多实际金属晶体中观察 到的迷宫结构的晶体学取向具有一致性。 c h e n g d u9 6 0 7 09 96 西南交通大学研究生学位论文 笫9 页 ( 3 ) 胞状位错结构 位错胞状结构类似蜂窝状结构，是种二维或三维结构，由高密度位锚组 成胞壁，而胞壁中间是低密度位错区。这种结构的形成需要多个渭移系的开动， 因此是一种多滑移位错结构。 金属材料承受一定的变形，位错密度可高达1 04 1 08 c m2 ，当外界提供 的应力增大时，位错可动并通过f r a n k r e a d 位错源增殖到位错密度为 1 0 ”1 0 ”c m 2 时，胞状结构形成。当外界应力进一步增大时，胞状位错结构 可粗化成亚晶，形成胞状位错结构，所需外界应力的大小取决于材料类型及试 验温度。 与位错胞的形成、长大、压缩及租化的不同阶段相对应，位错胞壁经历不 同的等效应力，如果位错胞壁俘获位错，对应于位错胞的长大阶段，在胞壁处 内应力与外加应力方向相反，则等效应力为负，如果胞壁作为亚晶界或位错源， 内应力与外应力方向相同，则等效应力为正，在整个晶体中正或负的等效应力 的平均值等于提供的外加应力。 在各种位错结构中，由于位错密度及位错缠结程度不同导致位错之间的相 互作用力不同，因此材料抵抗变形的阻力也不相同，对给定材料在相同的外界 环境条件下，各种位错结构抵抗变形阻力从小到大顺序依次为：平面状，基体 脉络状、墙状、迷宫状、胞状。 2 、影响位错结构的主要因素 ( 1 ) 层错能对位错结构的影响 如上所示，迷宫状位错结构是由至少两个滑移系开动而形成，胞状位错结 构则是由多个滑移系开动而形成。由于扩展位错f b q 口e 与层错能成反比，即层错 c h e n g d u 9 6 0 7 09 96 西南交通大学研究生学位沦文第l o 页 能越低、扩展位错的宽度越大，就越不容易合并成为全位错进行交滑移，所以 在较低应变幅值下，低层错能金属在循环变形后，往往形成基体脉络状位错结 构或驻留滑移带位错结构，而不易形成胞状位错结构；高层错能金属则在循环 变形后，逐渐形成迷宫状位错结构和胞状位错结构。 ( 2 ) 应变( 应力) 幅值对位错结构的影响 应力( 应变) 幅值的增火有利于晶体中多个滑移系的激活，所以对形成胞 状位错结构有利。在循环变形过程中，位错胞的平均尺寸对应变( 应力) 幅值 有着强烈的依赖性，具体表现为在相同条件下循环应变( 应力) 幅值相等，其 位错胞平均尺寸就大致相同”。 ( 3 ) 第二相粒子和合金元素对位错结构的影响 第二相粒子一般都要阻止稳定的位错结构形成，而且第二相粒子的密度越 大、稳定性越高，其阻止效果就越明显。合金元素钴、矾将减少材料在循环变 形中的交滑移倾向】，使基体不易形成胞状结构。文献】研究了低合金c r 和 c r m o 钢回火温度对机械性能的影响，在9 7 3 0 c 回火c r o c i 中仅含有渗碳体，c r m o 钢含有渗碳体和m o ，c 粒子。 三、循环软化机制 所谓循环软化是指材料在控制应变的低周疲劳过程中，随循环周次的增加 而应力幅值逐渐降低的现象。 s w a r m 和d o u g l a s s ”“1 等提出了在奥氏体中存在短程有序结构，简称s r o 结构，s h i b a t a 等人【1 7 1 将短程有序结构模型引入循环变形，用来解释循环软化 行为。此模型认为，在固溶条件下，置换原子( m n 、c r 、n i ) 与间隙原子( c 、 c h e n g d u9 6 0 7 09 9 6 西南交通大学研究生学位论文第1i x n ) 相互吸引形成i s 结合体，这种结合体将阻碍滑移面上的位错运动，在循 环外力作用下，由于位错的往复运动，i s 结合体不断被破坏，使滑移面上的 运动变得容易，异号位错相消，位错密度降低，位错之间的相互作用减小，从 而产生宏观上的循环软化。 许多学者对于含有第二相粒子的材料进行低周疲劳研究时发现，材料在循 环变形过程中出现了循环软化。一般认为这是由于位错在往复运动过程中不断 切割第二相粒子所致，在循环变形时，位错源开动释放位错，位错在主滑动面 上遇到第二相粒子时，首先在粒子前塞积，造成应力集中，当塞积达到一定程 度时，位错就会切割第二相粒子，塞积应力消除，位错更易于运动，造成宏观 上应力降低，即出现了循环软化。 s u n b a t a 等人8 1 在研究n i 基超合金的循环应力一应变行为时发现，造成循 环软化的主要原因是由于位错与第- - ny 、粒子相互作用的结果，变形带内的 y 、粒子开始被运动的位错剪切，在进一步变形时，位错通过交滑移将粒子切 割并碎化，造成循环应力降低，出现了宏观上的循环软化。 c a l a b r e s e 和l a i r d i 垮1 在研究a 1 c u 系合金的疲劳软化时提出了第二相粒子 失去共格模型。他们认为在循环的初始几周内，在变形带内位错密度急剧升高， 导致位错缠结。在此情况下，位错在滑移带内各个可能的滑移系中随机往复运 动，位错这种随机的运动破坏了粒子与基体间的共格关系。 以上几个模型是在一定条件下给出的，这些模型对于某一系列的材料具有 一定的适应性，但对于不同系列的材料，在不同的试验条件下，这些模型又有 其局限性。 s r a g n e w 和j r w e e r t m a n 2 0 1 研究了在严重塑性变形下形成的细晶铜的疲 c h e n g d u9 6 0 7 0 9 9 6 强南交通大学研究生学位论文第1 2 页 劳软化特性，他们发现细晶铜在所有试验中都表现出极大的循环软化，其初始 的微观结构是等轴胞状结构和细小的层状组织，低周疲劳试验后材料典型的微 观组织是清晰的胞状亚结构，他们认为位错胞尺寸的增加不是导致循环软化的 主要原因，但它决定了发生循环软化的应力门槛值。当e1 2 。因此高应变速率加载有利于后继较小应变速率加载形成胞状位错结 构。 4 5 应变幅值交互作用对材料微结构的影响 为了研究应变幅值交互作用对材料微结构的影响，本文进行了如下分析： ( 1 ) 将先前较小应变幅值循环至半寿命的材料微结构与材料原始组织进 行比较，以说明先前较小应变幅值循环对材料微结构的影响。 ( 2 ) 将先前较大应变幅值循环至半寿命的材料微结构与材料原始组织比 c h e n g d u9 6 0 7 09 96 西南交通大学研究生学位论文第4 0 页 较，以说明先前较大应变幅值循环对材料微结构的影响。 材料的原始组织如图4 2 所示，位错在第二相粒子及板条界周围形成严重 的缠结，位错分布不均匀而紊乱，基体中的位错很少。将材料原始组织与在 o ，3 5 应变幅值下循环3 0 0 0 周( 半寿命) 形成的材料微结构( 图4 5 ) 相比较， 可以发现，在o 3 5 应变幅值下循环3 0 0 0 周，第二相粒子附近的位错密度大 幅度降低，由于应变幅值较小，在基体中增殖的位错数量少，与原始组织比较， 材料在0 3 5 应变幅值下循环3 0 0 0 周位错密度降低，位错分布均匀。 由此，可以认为，材料经先前较大应变幅值循环至半寿命后，与原始组织 相比较，位错密度降低，位错分布更趋均匀。换言之，先前较小应变幅值循环 至半寿命降低了材料中的位错密度，使位错分布均匀。 比较原始组织与在o 5 6 应变幅值下循环2 6 2 周形成的微结构( 图4 6c 、 d ) ，可以发现，在o 5 6 应变幅值下循环2 6 2 周后，第二相粒子周围的位错密 度极低，大部分位错都位于基体中，位错在基体中的分布是不均匀的，且在基 体中出现胞状位错结构。因此，先前较大应变幅值循环至半寿命有利于胞状位 错结构的形成，且在a f e 基体中位错分布不均匀。 c h e n g d u9 6 0 7 09 9 6 西南交通大学研究生学位论文第4 1 页 第五章试验结果的分析和讨论 5 1材料循环变形微观机理的分析和讨论 一、3 0 c r m o a 钢的原始组织及第二相粒子 1 、3 0 c r m o a 钢原始组织及其强化机制 3 0 c r m o a 钢经8 8 0o c 油淬，5 4 0o c 回火后，形成回火索氏体组织。其金 相组织是球状渗碳体颗粒分布于a f e 基体上。a n a n d 和g u r l a n d 2 6 1 于1 9 7 6 年 提出调质钢的屈服强度并不直接取决于渗碳体间距本身，而是取决于调质状态 的位错亚结构。调质钢一般保留了淬火后遗留下的位错亚结构，回火时将发生 回复和再结晶，马氏体板条界上的位错将通过滑移和攀移而相消，剩下的位错 将重新排列成位错缠结，并逐渐转化为胞状结构，回火温度高于6 0 0o c 将发 生再结晶，一些位错密度低的胞块将长大成等轴1 1 晶粒。颗粒状碳化物均匀分 布在。晶粒内，亚晶粒尺寸的大小取决于碳化物尺寸。a n a n d 和g u r l a i l j 钦为 淬火回火钢中渗碳体质点的作用不是直接的，它们起着稳定亚晶、控制亚晶的 作用。 通过t e m 观察，在3 0 c r m o a 钢原始组织中仅观察到以第二相粒子为中心 的高密度位错缠结( 图4 2 ) 。可以认为，在3 0 c r m o a 钢中，由于弥散分布的 第二相粒子的阻碍作用，使回复过程进行得不完全，再结晶过程受到抑制。仅 形成大量位错缠结，无法形成亚晶粒，因此3 0 c r m o a 钢的强化机制是弥散分 布在铁索体基体上的第二相粒子对均匀分布的缠结起钉扎作用，使位错难以运 c h e n g d u9 6 0 7 09 96 西南交通大学研究生学位论文第4 2 i , h 动造成屈服强度升高。 2 、第二相粒子对位错的阻碍作用 为了研究捌料c 中的第日粒子与位错相互作用，必须了解材料中第二相粒 子的形态专菇鸯，因此利用电子显微镜观察第：相粒子的形态井通谴笫苎砷附口 盈挣稃手剁璇眵斤其成分。3 0 c r m o a 俐中的第二棚粒子的形态如图5 - 2 ( a ) 所 示，笫- - 4 - h 粒了的衍劓斑发跛分如 2 15 - 2 ( b 、c ) 所示： ( a ) a f e 基体中的第二相粒子 ( b ) 衍射斑 f o o m r 2 匠 。；：w - q 。； c h c o 恤c ( c ) 衍射斑的标定 图5 23 0 c r m o a 钢中的笫二相粒子及衍射斑的标定( 抖口- o ) c h e a g d u9 6 0 7 09 96 西南交通大学研究生学位论文第4 顶 e 礴；黠羲i 麓函= 篱粒子，在这里不再 示定。 位错和第二相粒子的交互作用，可分成两种类型：一种是将第二相粒子处 理成变形质点，位错可以切过第- - n 粒子向前运动；另一种是第二相粒子为不 变质点，位错只能绕过它们向前运动。第二相粒子能否被位错切过，视第二相 粒子的本质及质点大小等因素而定。在体心立方的钢铁材料中，碳化物和氮化 物都是难以切过的第二相，位能只能通过交滑移绕过它们。 质点的作用力不是均匀地作用在位错线上，第二相粒子对位错的阻力集中 施加与位错钉轧点上，而能构成障碍的第二相质点之间的位错线段，是不承受 内应力场作用的。第二相粒子对位错的阻力f ，如图5 1 所示，可表示为： 图5 - 1 第二相粒子对位错运动的阻力 f = 2 t c o s ( q b 2 ) 1 3 6 ( 5 1 ) t 为位错所受的内应力，巾为内应力之间的夹角。当外部施加一切应力t ， f = tb ( 5 2 ) 式中b 为位错的柏氏矢量， 是有效质点间距p 6 1 。 不变形第二相粒子与位错交互作用主要体现在两个方面： c h e n g d u9 6 0 7 09 96 西南交通大学研究生学位论文第4 4 页 ( 1 ) 位错绕过不变形第- - - n 粒子时，在不变形第二楣质点周围会产生奥 罗万( o r o w a n ) 环和棱柱形位错环。若只考虑位错在绕过第二相粒予时可以 产生交滑移，其交滑移的应力低于形成奥罗万环的应力，亦即奥罗万机制受到 抑制。此时，当位错交滑移绕过第二相粒予时，在第二相粒子周围留下一个棱 柱形位错环，原位错线上带有双重割阶而离去，而螺位错交滑移绕过第二相粒 子时，在第二相粒子周围留下两个棱柱形位错环。 ( 2 ) 弥散分布于基体中的第二相粒子作为一种障碍，阻止了可动位错的 滑移，不利于位错按最小能量准则排列成低能量位错组态，从而在基体内形成 高密度的位错缠结。 在晶体中的位错包括两部分，一是考虑第二相粒子为不变形质点，为满足 变形协调，在第二相粒子与基体界面上增加的几何必须位错p 。，另一部分则 为不考虑第二相粒子存在时，基体发生变形历引起的统计存储位错p 。 二、材料循环变形微观机理的分析和讨论 t h i e l e n 口7 1 等人研究了4 1 4 0 钢的淬火回火组织的低周疲劳变形行为，该材 料在淬火后分别进行了4 0 0o c 、5 5 0o c 和6 5 0o c 回火。低周疲劳试验发现 材料在各个应变幅值下循环时均出现了宏观的循环软化。微观组织的观察结果 表明：在循环变形前，位错密度很高，且均匀分布，在低周疲劳循环变形过程 中，位错密度降低，位错聚集成束，其后发生重排，形成胞状结构。t h i e l e n 等将材料在中温或高温回火后出现循环软化归结为两点影响因素：一是钉轧位 错的机械去除使位错易于运动，同时产生了非钉轧的可动位错，二是位错在循 环变形中发生了重排，高密度位错在变形过程中相互作用，异号位错相互抵消， 从而使位错密度降低。随着循环变形的进行，位错逐渐聚集成束，形成胞状结 c h e n g d u9 6 0 7 09 9 6 西南交通大学研究生学位论文第4 5 贞 构，使内应力降低。基于上述两个原因，导致了材料宏观上循环应力的降低， 即宏观上的循环软化。 c l a i r d 、z w a n g 2 2 1 等人认为，循环软化是由循环应变引起的回复过程， 在这一过程中形成低能位错结构。低能位错结构是一种能量低的平衡组织结 构。在循环软化过程中，均匀紊乱的位错初始结构逐渐形成粗大的胞状结构。 胞内位错逐渐消失， 胞变得清晰可见。随着循环周次的增加位错胞尺寸变大。 c l a i r d 等人提出疲劳位错结构是一种自组织非平衡结构，能够自发地向平衡 结构一低能位错结构发展，他们认为胞状结构即是一种低能位错结构，材料出 现循环软化的原因可概括为以下两点：( a ) 位错通过偏聚减少其交互作用能， 使内应力降低。( b ) 异号位错的相互湮灭，使位错密度降低。 v a ns w a n 【2 8 1 等人研究了马氏体时效钢3 0 0 的循环变形行为，他们认为剥 于退火状态的马氏体时效钢，发生循环软化的原因是由于初始状态的高密度位 错网络转变位位错胞状结构。对于过时效的马氏体时效钢，循环软化现象是由 于在沉淀粒子周围几何必须位错发生重排( r e a r r a n g m e n t ) 。 “1 2 9 研究了4 0 c r 钢的低周疲劳变形行为，他们认为初始铁素体内位错密 度很低。在循环加载条件下，铁素体内位错密度开始升高，并且有位错缠结发 生，随着变形的进行或或应变幅值的增加，位错由缠结向胞状结构发展。 以上文献均认为材料在循环变形过程中出现的循环软化与位错结构的重排 有关，其主要思想是：在初始状态，材料内部位错分布均匀，但紊乱不规则， 处于高能量不稳定状态。随循环周次或应变幅值的增加，位错重新排列形成胞 状位错结构，这种位错胞被认为是平衡的低能位错结构。 c h e n g d u9 6 0 7 0 9 9 6 西南交通大学研究生学位论文第4 6 页 1 、循环饱和及循环软化微观机理的分析和讨论 由第四章的试验结果可知，3 0 c r m o a 钢原始组织中存在大量均匀的以第 二相粒子为中心的严重位错缠结，这些位错由两部分组成，一部分是马氏体分 解后保留下来的位错，一部分是在回火过程中由于第二相粒子析出长大，为满 足变形协调在第二相与基体界面上增加的几何必须位错。 当应变幅值0 6 9 ，对于恒定的应变幅值，材料的循环特性大致可分为 循环饱和与循环软化两个阶段。在饱和阶段，随着循环周次的增加，原始组织 中已存在的位错其密度逐渐降低。例如在o 3 5 应变幅值下由2 0 周循环至 3 0 0 0 周第二相粒子周围的位错密度明显降低( 图4 3 、4 - 4 、4 - 5 ) 。而由于循环 变形，在基体中产生的增殖位错密度增加。例如在o 5 6 应变幅值下循环2 0 周，基体中已存在少量的位错缠结( 图4 7 ab ) ；在o 8 2 应变幅值下循环2 0 周，基体中已出现大量的严重位错缠结( 图4 - 8a b ) 。 由t e m 试验结果分析可知，在同一应变幅值下，随着循环周次的增加， 循环变形量增大，材料中已存在的、位于第二相粒子附近的大量位错获得能量 挣脱第二相粒子对它的钉