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北京交大《JMST》：先進貝氏體鋼高周/超高周疲勞裂紋萌生機制

2022-05-16 14:22:19 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

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本文針對先進貝氏體鋼高周/超高周疲勞（HCF/VHCF）階段內部組織疲勞裂紋萌生（也被稱為“非夾雜物起裂，NIICI”）的微觀機制進行初步研究，基于疲勞損傷精準定位和多尺度表征技術，闡明了內部組織疲勞裂紋的萌生機制、細晶層的形成機理和殘余奧氏體在裂紋萌生中的作用。論文發現貝氏體鋼內部“非夾雜起裂”并非單一情形的損傷機制，而是4種情形的競爭或耦合，澄清了關于細晶層形成階段及作用的爭議，揭示了殘余奧氏體在疲勞裂紋萌生階段的循環塑性變形機制及其作用機理。相關工作以“Mechanism of subsurface microstructural fatigue crack initiation during high and very-high cycle fatigue of advanced bainitic steels”為題，發表在Journal of Materials Science & Technology。

背景介紹

隨著我國軌道交通、航空航天的快速發展，一些結構所要求設計的疲勞壽命已經超過108周次，超高周疲勞（Very High Cycle Fatigue, VHCF）問題成為近年來研究的熱點。研究表明鋼的超高周疲勞壽命90%以上消耗在裂紋萌生和初期擴展階段，并且受夾雜物和顯微組織等內部因素主導。因此研究超高周疲勞裂紋萌生機理、探明超高周疲勞損傷的易感基因，對于統籌優化材料冶金加工工藝至關重要。雖然有學者提出了多個夾雜物（缺陷）致裂的微觀機理模型，但是對于多尺度、亞穩、多相組織的超高周疲勞損傷機制還不完全清楚。基于此，本文基于疲勞損傷精準定位和多尺度精細表征技術，實現對內部組織小裂紋與微觀各相交互作用的過程推演，揭示了先進貝氏體鋼高周/超高周疲勞階段內部組織裂紋萌生的微觀機制。

本文亮點

（1）發現貝氏體鋼內部“非夾雜起裂”并非單一情形的損傷機制，而是4種情形的競爭或耦合，即包括2種穿晶起裂以及2種晶間起裂的情形，這取決于鋼的微觀組織特征。

（2）發現細晶層并不是在所有起裂情形下都存在，這也是細晶層不連續分布的原因之一；而細晶層的形成主要歸因于局部塑性變形引起的貝氏體鐵素體板條碎化或由于滑移帶與晶界的反復作用誘發的局部連續動態再結晶（cDRX）。

（3）發現殘余奧氏體對于觸發不同情形的“非夾雜起裂”損傷機制具有決定性的影響，這與殘余奧氏體的形貌、空間分布和穩定性直接相關。

圖文解析

本文通過真空冶煉（U-BAT）、真空冶煉+電渣重熔（E-BAT）冶煉工藝結合貝氏體等溫淬火工藝調控貝氏體鋼中顯微組織和夾雜物，在HCF/VHCF階段（106~108周次）疲勞裂紋主要從內部基體組織處起裂，如圖1所示，并形成一個明顯的裂紋萌生特征區（ICA），如圖2所示。通過對萌生特征區表面形貌的觀察，結合聚焦離子束（FIB）技術與TEM、STEM和TKD技術，獲取裂紋萌生特征區局部顯微組織演化、相變和晶體學的詳細信息，以推演疲勞裂紋萌生的微觀機制。

圖1 先進貝氏體鋼的S-N曲線及裂紋萌生形式統計

圖2 （a）貝氏體鋼的內部“非夾雜起裂”斷口形貌的SEM圖，ICA：裂紋萌生特征區，FiE：魚眼區，Sur：表面；（b）micro-facet放大圖；（c）ICA區的3D形貌圖（d）facet參量（E-BAT試樣，σa =745 MPa， Nf = 1.69 × 106）。

研究表明，貝氏體鋼中“非夾雜物起裂”可能存在的4種情形，包括2種穿晶起裂以及2種晶間起裂的情形；而“非夾雜物起裂”并非單一情形的損傷機制，而是上述4種情形的競爭或耦合，這取決于鋼中顯微組織的特征。

（i）第1種穿晶起裂情形。該情形對應的組織特征是亞微米殘奧板條+貝氏體鐵素體板條。在循環載荷作用下，軟的殘奧中滑移系率先被激活，導致殘奧中形成層錯或發生切應力誘導馬氏體相變；在這種情況下，相鄰的貝氏體鐵素體必須承受額外的應力來維持力的平衡；亞微米級殘奧的循環硬化影響了殘奧與貝氏體鐵素體之間的應力/應變分配，促進塑性變形在貝氏體鐵素體中積累，導致貝氏體鐵素體板條的碎化，最終由于塑性耗盡并產生微裂紋，該過程伴隨著細晶化，如圖3所示。

圖3 第1種穿晶起裂情形（伴隨著細晶層的形成）；本圖為摘要圖，圖（a）、（b）和（c）分別見原文中圖13、10和12

（ii）第2種穿晶起裂情形。該情形對應的組織特征是納米級殘奧薄膜+貝氏體鐵素體板條。由于納米級膜狀殘奧不易發生塑性變形，貝氏體鐵素體板條中具有擇優取向的滑移系在最大切應力的驅動下率先滑移，并形成駐留滑移帶，隨著循環周次的增加，滑移帶內位錯重組，并導致滑移帶內位錯墻坍塌，最終在滑移帶內形成空洞和微裂紋。該過程由切應力主導，損傷集中在滑移帶內，微裂紋周圍沒有細晶形成，如圖4所示。

圖4 第2種穿晶起裂情形（無細晶層形成）；本圖為摘要圖，圖（a）、（b）和（c）分別見原文中圖13、11和12

（iii）第1種晶間起裂情形。在循環載荷作用下，貝氏體鐵素體或殘奧中會產生滑移帶，如果沒有很強的組織障礙，滑移帶就會直接沖擊原奧氏體（PAG）晶界；而滑移帶與PAG界面相互作用的結果取決于相鄰PAG的微觀結構特征，如果PAG界面處存在塊狀M/A島時，由于高碳馬氏體的脆性特征，晶間裂紋將以解理開裂的方式萌生，此時沒有細晶形成，如圖5所示。

圖5 第1種晶間起裂情形（無細晶形成），本圖為摘要圖，圖（a）、（b）和（c）分別見原文中圖13、7和12

（iv）第2種晶間起裂情形是當PAG界面處存在韌性相（如貝氏體鐵素體）時，在裂紋萌生前需要更多的循環在PAG界面處累積更多的塑性變形；局部體積上滑移帶和PAG相互作用會導致局部連續動態再結晶（cDRX）；一旦PAG界面應力集中導致晶間裂紋萌生，而細晶區局部裂紋擴展閾值（Kth, local）降低，促進小裂紋的形成和擴展。在這種情況下，至少可以在斷口的一側沿PAG界面觀察到細晶層，如圖6所示。

圖6 第2種晶間起裂的情形（伴隨著細晶的形成），本圖為摘要圖，圖（a）、（b）和（c）分別見原文中圖13、9和12

總結與展望

本文基于疲勞損傷精準定位和多尺度表征技術，探討了先進貝氏體鋼高周/超高周疲勞（HCF/VHCF）階段內部組織疲勞裂紋萌生的微觀機制，相關成果對于先進貝氏體鋼的組織設計具有一定的指導作用。同時，本文發現了顯微組織和夾雜物對內部疲勞裂紋萌生形式的競爭影響行為，這種競爭作用可能與夾雜物的尺寸與類型、組織的特征、以及組織-夾雜物的交互作用相關，這還需進一步的研究。

作者介紹

高古輝，博士，北京交通大學副研究員，長期從事先進鋼鐵材料的研究，主要研究方向包括：貝氏體相變及組織調控；鋼的疲勞、磨損性能；貝氏體鋼的工程應用。近年來，主持國家自然科學基金青年科學基金、面上項目、鋼鐵聯合基金，國家重點研發計劃課題、任務等國家、省部級科研項目8項。在Acta Mater.、Scr. Mater.、J Mater. Sci. Tech. 知名國際學術期刊上發表學術論文40余篇；授權國家發明專利13項；在“中國鋼鐵年會”等國內外學術會議上做邀請報告和分會報告10余次。獲2018年中國冶金科技進步二等獎（3/10）、“Journal of Materials Science & Technology優秀論文獎”，2019年獲評北京交通大學優秀青年教師。