工业纯铁试样的低周疲劳与退火过程中的疲劳裂纹形态演变

工业纯铁试样的低周疲劳与退火过程中的疲劳裂纹形态演变

在对工业纯铁的初始研究中，在高温和低温条件下观察到了内部疲劳微裂纹的愈合。这种裂缝的愈合也被观察到，如陶瓷、玻璃、石英、聚合物和其他非金属材料。这些研究主要是定量地研究了裂缝形成过程的形态发展和机制。然而，由于裂缝形成的特殊三维形式，因此无法进行精确的匹配过程，因此在键的形成位置也受到条件的限制。例如，在扫描电镜（sem）的原始观察中，由于裂纹表面与样品金的研磨面相交，导致弯曲面形成裂缝边缘。与其他界面相比，这些专栏中的表面倾角较大，因此化学位最高。因此，局部原子扩散至周围，导致边缘圆形。在sem的观察下，这反映了裂缝的扩张。这与内部裂纹的实际发展不符。事实证明，sem的现场观测是不可能的。理想的方法是在不破坏整个裂纹形状的前提下进行现场观测。声音显微镜用于测量材料中毫米测量的微十字的小缺陷，并可用于现场观测裂缝的愈合过程。然而，声显微镜可以达到大约纳米规模的分辨率，并与相应的原位加热技术相结合。曾有研究者应用密度检测技术研究了Cu,Mg等材料中由高温蠕变或高温疲劳引入的晶界空洞的收缩过程,发现内含空洞试样的密度值随着一定温度下加热时间的延长而相应改变.这表明空洞收缩所引起的材料的密度变化可以被检测到,该技术同样适用于研究内部裂纹愈合过程中引起的材料密度的变化.本文探讨了疲劳加载以及随后的退火处理后工业纯铁试样的密度变化,为先前的相关裂纹愈合模型提供了直接的证据.1材料的相关实验实验材料为工业纯铁,化学成分(质量分数,%)为:C0.025,Si0.20,Mn0.30,P0.020,S≤0.020,Al0.15—0.50,Cr0.10,Ni0.20,Cu0.20,余为Fe.加工成标准的疲劳拉伸试样,中间标距部分直径为5mm,并保持高的表面光洁度.室温下在MST880材料试验机上进行控制应变幅的等幅、拉-压、低周疲劳加载,应变幅为Δεpl=6×10-3,应变速率为εpl=7.5×10-3/s,分别加载至该应变幅下疲劳寿命的50%,70%,90%寿命分数直至试样最终断开.卸载后,切取疲劳试样的标距部分进行金相抛光.随后,疲劳试样在1173K温度分别真空退火1,2,3,5直至7h.采用METTLER-TOLEDOAG285型电子分析天平,利用Archimedes排水法检测各试样的密度值.该天平配备有密度测量附件,可对81g质量范围内的试样的密度值测量至±0.001g/cm3的精度.首先测量疲劳加载前原始试样的密度值ρ0,然后测量各疲劳试样的密度值,每次退火后即测量试样的密度值,然后进行下一次退火处理.每个试样的密度值均重复测量了12次,以避免产生偶然误差.此外,还对疲劳试样以及不同时间退火试样在S-2700扫描电镜下进行了SEM观察,主要实验结果已经发表.2真空退火期间材料的粗糙度、材料密度和裂纹演化密度检测结果表明,工业纯铁原始试样的密度值为ρ0=7.835g/cm3,疲劳加载不同循环周次以及随后进行不同时间的退火处理后,各组试样的密度测量值如表1所示.其中N为疲劳循环周次,Nf为疲劳寿命,N/Nf即为疲劳加载的寿命分数.为了直观地显示试样的密度变化情况,我们定义了相对密度变化Δρ/ρ0为:式中ρ为不同试样的密度测量值.根据表1中数据,图1给出了在应变幅Δεpl=6×10-3下,不同循环周次加载后试样密度值的变化曲线.由图1可见,随着疲劳循环次数从50%寿命分数开始增加直至试样最终断裂,试样的密度值逐渐减小,表明试样的损伤加剧,内部疲劳裂纹的数目或者体积逐渐增加.SEM观察表明,低周应变疲劳加载下工业纯铁内部萌生了形态近似为圆币型的疲劳微裂纹,其横剖面如图2所示.可以认为,正是由于内部疲劳裂纹的萌生导致了疲劳试样密度小于原始试样密度.而且,由于循环周次的增加使得疲劳裂纹进一步扩展以及在试样内部萌生了更多数目的裂纹,从而引起试样密度值随疲劳寿命分数增加而持续减小.图3中所示为疲劳试样真空退火不同时间后的密度值恢复曲线.可见,对于不同循环周次加载的疲劳试样,在从1到3h的退火时间内,其密度变化曲线均近似为一水平线,表明在此期间各试样的密度值无明显改变.退火时间从3h开始,各试样的密度值逐渐增加,并且在7h时基本接近了原始试样的密度值ρ0.退火期间试样的密度变化现象与其内部疲劳裂纹的形态演变相关,图4显示了在1173K真空退火处理后裂纹的演化分解现象.根据纯铁的相关扩散参数计算可知,1173K时Fe原子表面扩散系数Ds比体扩散系数D1高约5个数量级,因此表面扩散机制将主导圆币型疲劳裂纹前期进行的形态演变.SEM观察表明,疲劳裂纹在表面扩散作用下首先分解形成多个空洞排列的空洞串,如图4a所示的裂纹横剖面,裂纹被分割为空洞群排列的形态.随后,位于晶粒内部的空洞的表面空位在体扩散作用下向晶界扩散,引起空洞体积收缩直至最终愈合消失.图4b表明当退火时间持续到7h时,裂纹演变所形成的大部分空洞已经愈合消失,而仅留下了由于初始半径较大而尚未愈合的单个空洞.为了维持一定温度下恒定的晶界宽度,由晶内空洞扩散至晶界的空位将继续向试样表面扩散,使得裂纹最终愈合,同时试样体积收缩减小,密度逐渐恢复到原始态.表面扩散作用只改变裂纹的形状而不减小裂纹腔总的体积,因此在裂纹愈合演变的前期阶段,即当退火时间从1h持续到3h时,图3中各条密度变化曲线比较平坦,试样的密度值没有显著的增加.而随后裂纹演变形成的空洞将在扩散作用下逐渐收缩,图5为不同退火时间后试样中残存的空洞半径的统计结果.可见,随着退火时间的延长空洞的平均半径r0尺寸逐渐减小,从2h退火时的0.6μm减小至5h时的0.3μm,再减小至7h时的0.2μm.因此,图3显示的从3h开始直到7h的退火期间试样的密度增加应该与此相关,因为裂纹演变形成的空洞的收缩导致了试样体积的减小,从而其密度增加并最终接近了原始值ρ0.以上主要描述了在1173K温度下7h退火期间纯铁内部疲劳微裂纹的形态演变并记录了在此期间试样的密度变化,而没有涉及退火后试样疲劳性能的恢复情况.事实上,若将7h退火后的试样重新进行相同的疲劳加载实验,其结果将同前述的疲劳寿命数据没有可比性.因为实验观察表明,7h退火后铁素体晶粒尺寸已由退火之前的30μm左右急剧长大至100μm左右,而晶粒尺寸则极大影响材料的力学性能.因此,只有再次进行其它的热处理以将铁素体晶粒尺寸重新细化至最初的30μm左右,然后进行疲劳加载以对比退火处理前后的疲劳数据才有意义,类似的工作已有报道.例如,杨晓华对汽轮机叶片服役功能退化规律的研究表明,2Cr13钢试样在应变疲劳的中途进行回火处理后可显著地延长试样的疲劳寿命.3试样密度和裂纹的变化(1)密度测量结果表明,低周应变疲劳加载后,工业纯铁试样的密度值明显低于原始密度P0,且随着疲劳循环次数的增加,疲劳试样密度值逐次减小.(2)在1173K温度下从1h真空退火至3h,疲劳试样的密度变化不大,略有增长;当退火时间从3h延长至5h并直至7h时,试样的密度值明显增大,并最终接近于试样的原始密度值P0.(3)试样密度值的变化与其内部疲劳裂纹的萌生及其在