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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：X X X,1,目录,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（Duplex Stainless Steel，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

2、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

3、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DIN 1.4462，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30 m。最后，将材料在475中时效处理100小时，以获得维氏硬度为254 HV奥氏体和465 HV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

4、 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1 a 圆柱扁切口的试样进行低周疲劳(LCF)试验； 图1 b 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，

5、对试样的浅凹口处进行观察。 3.3 试验参数： = 400 MPa，应力比R = -1和频率f = 10Hz。 3.4 观察记录：定期停止试验(at 80% of max)，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。 4.2 SEM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。 4.3 TEM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

6、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/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

7、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/晶界(画圆圈部分、晶粒2 - 3)。 首先，在上面一部分，裂纹在-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-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

8、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（由于相和相塑性不同的缘故）。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4

9、b表示了显微带穿越-相边界。 一条显微带穿越了-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-相边界。 图中可看出相中的大量位错带并没有穿过-相界，传递到相，而是被拘束在了-相界，不得进一步扩展。 因为相的塑性较好，在-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

10、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-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-边界;(2)起源于-边界，并在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

11、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-相界的单一裂纹核沿着SF = 0.43的101滑移面扩展到下一个-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5b EBSD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

12、-相界的相将会表现为微屈服，而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：一般相塑性较差；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。 -相界产生微裂纹后，将沿着相最容易扩展的滑移面进行传播，到达下一个-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/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-