不同應(yīng)變幅下高錳鋼的低周疲勞性能研究

楊 陽，侯永超，石鑫生，陳永甲，李 晨，朱夢琪

(1.金屬成型技術(shù)與重型裝備全國重點實驗室，陜西 西安 710018；2.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018；3.燕山大學(xué) 亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點實驗室，河北 秦皇島 066004)

0 前言

Hadfield鋼即高錳鋼，早在100多年以前就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，其憑借優(yōu)異的耐磨性以及良好的強(qiáng)塑韌性，至今仍是礦山、建材、鐵路等機(jī)械設(shè)備中的首選材料之一[1-2]。但在惡劣的真實服役條件下，部件除了承受單向載荷外，主要承受反復(fù)、變動的外部載荷。大型工程部件多為熔鑄成型，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，疲勞失效約占工程材料總破壞的80%[3]，特別是材料在真正疲勞斷裂前并不容易察覺明顯的損傷痕跡，這會帶來巨大的事故隱患。所以，研究鑄態(tài)高錳鋼在不同條件下的循環(huán)變形行為，對工業(yè)應(yīng)用的安全性有著重要意義。錢立和等人[4]研究了實際轍叉用高錳鋼在低周疲勞實驗中的循環(huán)變形行為，發(fā)現(xiàn)鐵路轍叉用鋼在循環(huán)初期會出現(xiàn)明顯的循環(huán)硬化現(xiàn)象。硬度也得到極大提升，原始試樣硬度為203 HV，在0.4%應(yīng)變幅下，硬度提高了17%，在0.8%應(yīng)變幅下，甚至提高約48%。趙博等人[5]研究了新型節(jié)鎳高氮奧氏體鋼在疲勞過程中的組織演變。發(fā)現(xiàn)當(dāng)試驗鋼循環(huán)變形周次達(dá)到215周時，管材表面會產(chǎn)生均勻的橫向裂紋。作者解釋稱形變大的區(qū)域易發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，當(dāng)馬氏體含量超約0.45%時便會促使細(xì)小裂紋的產(chǎn)生。李時磊等人[6]采用徑向應(yīng)變控制比較了Z3CN20-09M鑄態(tài)奧氏體不銹鋼在室溫和350 ℃下的循環(huán)變形行為，發(fā)現(xiàn)兩者均呈現(xiàn)先硬化后軟化的循環(huán)趨勢，但高溫下的試驗鋼循環(huán)硬化程度更高，壽命也更長。這與高溫條件可以有效減弱奧氏體內(nèi)的滑移面、夾雜物及相界面等位置的裂紋形核能力有著密切聯(lián)系。劉帥[3]對比分析了應(yīng)力控制下Fe-22Mn-0.6C和Fe-22Mn-0.6C-3Al兩種試驗鋼的低周疲勞行為，發(fā)現(xiàn)在恒定應(yīng)力幅450 MPa下，兩種鋼的疲勞壽命均經(jīng)歷循環(huán)硬化、循環(huán)軟化以及循環(huán)失效三個階段，但含Al鋼卻表現(xiàn)出更低的疲勞壽命。主要是因為Al元素的加入會削弱試驗鋼的循環(huán)硬化能力，這使得其在疲勞試驗過程的塑性應(yīng)變幅更大，塑性損傷積累程度更高。

盡管眾多材料學(xué)者對高錳奧氏體鋼的循環(huán)變形行為已經(jīng)做過較多的探索，但是不同的合金成分、試驗條件對試驗鋼的循環(huán)變形行為影響是不同的。本文通過應(yīng)變控制，主要研究了不同應(yīng)變幅下120Mn13鋼的應(yīng)力響應(yīng)、疲勞壽命及裂紋擴(kuò)展規(guī)律。

1 試驗方法

試驗選用鑄錠高錳奧氏體鋼120Mn13，截面尺寸為150 mm×150 mm。具體化學(xué)成分如表1所示。為了使得試驗鋼中的碳化物充分融入基體，將鑄錠切割成若干20 mm×20 mm×110 mm的長方塊狀試樣，放置于1 100 ℃高溫爐中進(jìn)行1 h固溶處理。

表1 高錳鋼120Mn13化學(xué)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

利用電火花線切割機(jī)沿長向切取若干圓棒狀試樣，加工成標(biāo)距為25 mm、直徑為5 mm的拉伸試樣并進(jìn)行常溫拉伸測試。同時將試驗鋼加工為平行段長度14 mm、標(biāo)距10 mm、直徑5 mm的疲勞試樣，利用MTS液壓伺服試驗機(jī)對試樣進(jìn)行低周疲勞試驗。具體步驟如下：對已加工完成的試樣，為避免表面加工質(zhì)量對疲勞壽命的影響，需要利用砂紙(目數(shù)由小到大)將平行段四周磨至光亮且無劃痕，注意打磨方向必須沿著軸向。當(dāng)試樣在循環(huán)過程中突然斷裂或其最大拉應(yīng)力降低為初始值的25%，試驗機(jī)便會停止。采用對稱應(yīng)變控制方式，并選用0.4×10-2、0.6×10-2、0.8×10-2三個不同總應(yīng)變幅進(jìn)行循環(huán)測試，循環(huán)應(yīng)變速率為3×10-3s-1。試樣失效后，利用防水膠帶密封斷口防止污染，并根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)繪制疲勞曲線。利用光學(xué)顯微鏡對原始晶粒組織以及標(biāo)距內(nèi)的變形組織進(jìn)行觀察；利用熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡對疲勞裂紋的擴(kuò)展路徑進(jìn)行觀察分析。

2 試驗結(jié)果

2.1 常規(guī)拉伸性能

圖1給出了經(jīng)均質(zhì)化處理后的鑄態(tài)120Mn13鋼的金相組織照片。可以發(fā)現(xiàn)，均勻的等軸奧氏體晶粒內(nèi)部僅存在較少的退火孿晶。經(jīng)統(tǒng)計計算，試驗鋼的平均晶粒尺寸約為170 μm。

圖1 120Mn13鋼原始金相組織圖片

圖2分別給出了試驗鋼的常溫拉伸曲線及0.30～0.35應(yīng)變區(qū)間的局部放大圖。可知，120Mn13鋼的屈服強(qiáng)度為339 MPa，抗拉強(qiáng)度為735 MPa，延伸率僅有37%，且拉伸屈服之后表現(xiàn)出明顯的鋸齒流變現(xiàn)象。進(jìn)一步對試樣鋼斷裂前的局部應(yīng)變-應(yīng)力曲線進(jìn)行放大，如圖2(b)，發(fā)現(xiàn)曲線上鋸齒基本分為兩類，一類為尖銳突出的臺狀鋸齒，是典型的A型鋸齒流變。第二類即處于兩個A型鋸齒臺階之的高頻波狀鋸齒段，是常說的B型鋸齒流變。強(qiáng)烈的動態(tài)應(yīng)變時效可以增加材料的加工硬化率，從而提高其斷裂強(qiáng)度[7]。

圖2 120Mn13鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線與局部放大圖

2.2 低周疲勞性能

2.2.1 循環(huán)變形行為

圖3給出了在總應(yīng)變幅0.4%、0.6%和0.8%下，鑄態(tài)高錳鋼120Mn13的峰值循環(huán)拉應(yīng)力與循環(huán)周次以及與循環(huán)壽命百分比之間的關(guān)系。無論哪一種應(yīng)變幅，在整個循環(huán)壽命期間，試驗鋼均先經(jīng)歷約100周左右的快速循環(huán)硬化后，開始軟化直至斷裂，如圖3(a)所示。而隨著總應(yīng)變幅的的增加，試驗鋼的瞬時循環(huán)拉應(yīng)力與最大循環(huán)拉應(yīng)力均明顯增加，但疲勞壽命卻逐漸減少，其中0.8%總應(yīng)變幅下的疲勞壽命僅有885周(見表2)。由圖3(b)可以看出，鑄態(tài)120Mn13鋼的循環(huán)軟化階段幾乎占據(jù)整個壽命，其中當(dāng)總應(yīng)變幅為0.4%時，試驗鋼在循環(huán)后期發(fā)生了更加緩慢的軟化現(xiàn)象。

圖3 120Mn13鋼的峰值循環(huán)拉應(yīng)力與循環(huán)周次及其與循環(huán)周次比失效壽命之間的關(guān)系曲線

表2 120Mn13鋼在循環(huán)過程中的各項參數(shù)

圖4給出了鑄態(tài)高錳鋼120Mn13鋼在初始循環(huán)與半壽命處的滯后回線，呈梭性，對稱，說明試驗控制良好。另外，從圖中也觀察到鋸齒流變現(xiàn)象，表明在循環(huán)變形過程中也存在著動態(tài)應(yīng)變時效(DSA)。但是，只在0.6%和0.8%應(yīng)變幅下的初始滯后曲線觀察到不同程度的鋸齒形態(tài)，在低應(yīng)變幅0.4%下卻沒有發(fā)現(xiàn)。當(dāng)循環(huán)周次增加至半壽命處時，試驗鋼的循環(huán)應(yīng)力明顯增加，且隨著總應(yīng)變幅的增加，其應(yīng)力增加幅度也明顯增強(qiáng)，如圖4(b)所示。

圖4 120Mn13鋼滯后回線及局部放大圖

循環(huán)硬化率和循環(huán)軟化率數(shù)值能夠直觀反映材料在循環(huán)變形過程中的硬化與軟化情況。式(1)和式(2)分別給出了鑄態(tài)高錳鋼120Mn13的循環(huán)硬化率(CHR)和循環(huán)軟化率(CSR)計算公式[8]：

CHR=(σmax-σ1)/σ1

(1)

CSR=(σmax-σhalf)/σmax

(2)

式中：σ1為第一周循環(huán)的應(yīng)力幅，MPa；σmax為最大應(yīng)力幅，MPa；σhalf為半壽命處的應(yīng)力幅，MPa。

根據(jù)式(1)～式(2)，圖5(a)繪制出了鑄態(tài)120Mn13鋼在三種總應(yīng)變幅下的循環(huán)硬化率和循環(huán)軟化率變化曲線。將循環(huán)硬化率和循環(huán)軟化率數(shù)值的變化趨勢擬合成一條直線時，從圖中可以看出，隨著總應(yīng)變幅的增大，試驗鋼的循環(huán)硬化率呈現(xiàn)上升趨勢，而循環(huán)軟化率卻為下降趨勢，且均遠(yuǎn)小于循環(huán)硬化率。這說明增加應(yīng)變幅最有利于提高材料的加工硬化能力。

圖5 120Mn13鋼循環(huán)硬化率、軟化率與總應(yīng)變幅關(guān)系曲線，以及應(yīng)變幅與疲勞壽命關(guān)系曲線

圖5(b)給出了鑄態(tài)120Mn13鋼的應(yīng)變幅與疲勞壽命之間的變化關(guān)系。曲線表明：塑性應(yīng)變幅與彈性應(yīng)變幅均隨著總應(yīng)變幅的增加而逐漸減小，但塑性應(yīng)變幅的降低幅度更加明顯。在應(yīng)變幅-疲勞壽命曲線中，彈性應(yīng)變幅隨應(yīng)力反向次數(shù)變化曲線與塑性應(yīng)變幅隨應(yīng)力反向次數(shù)變化曲線的交點對應(yīng)的壽命稱為過渡壽命。在交點左側(cè)的疲勞循環(huán)過程中，塑性應(yīng)變幅起主要作用，塑性直接影響材料的疲勞壽命。在交點右側(cè)的疲勞循環(huán)過程中，彈性應(yīng)變幅占主導(dǎo)地位，材料的疲勞壽命則由強(qiáng)度控制。對于鑄態(tài)高錳鋼而言，在不同總應(yīng)變幅下的拉壓變形中，塑性應(yīng)變幅占主要地位，試驗鋼似乎更多地處于低周疲勞的試驗范疇。

2.2.2 微觀組織及裂紋擴(kuò)展

疲勞測試后的高錳鋼120Mn13標(biāo)距內(nèi)的金相組織如圖6所示。

圖6 在不同應(yīng)變幅下120Mn13鋼的金相組織照片

從圖中可以看出，高錳鋼晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了很多變形帶。在0.4%總應(yīng)變幅下，晶粒內(nèi)部主要以單向變形帶為主，部分晶粒內(nèi)部還出現(xiàn)階梯狀滑移帶。隨著總應(yīng)變幅的增加，晶粒內(nèi)部觀察到明顯的交叉變形帶，其交叉劇烈程度也明顯增強(qiáng)。

此外還統(tǒng)計了變形帶間距平均值(見表2)，隨著應(yīng)變幅的增加，變形帶間距逐漸減小。總而言之，總應(yīng)變幅越大，則變形帶密度越大，這一結(jié)果與120Mn13鋼在循環(huán)變形過程中的最大循環(huán)應(yīng)力隨應(yīng)變幅變化的規(guī)律是一致的。

表2 不同應(yīng)變幅下120Mn13鋼的變形帶平均間距

圖7所示為鑄態(tài)高錳鋼120Mn13在0.4%、0.6%和0.8%總應(yīng)變幅下的裂紋擴(kuò)展情況及局部放大圖。可以看出，在所有應(yīng)變幅下，裂紋的擴(kuò)展路徑均發(fā)生不同程度的偏轉(zhuǎn)。其中，當(dāng)應(yīng)變幅為0.4%時，疲勞裂紋主要沿著晶粒內(nèi)部并垂直于軸向前進(jìn)，僅觀察到一條微弱的沿晶界開裂的二次裂紋，見圖7(b)。當(dāng)應(yīng)變幅為0.6%時，裂紋路徑出現(xiàn)較長的沿晶開裂，如圖7(c)所示。同時對裂紋尾部進(jìn)行放大觀察，發(fā)現(xiàn)材料斷口內(nèi)部存在眾多細(xì)小裂紋，這是試樣在循環(huán)變形過程中吸收大量塑性應(yīng)變積累的直接證據(jù)。當(dāng)應(yīng)變幅增至0.8%時，試樣的裂紋路徑發(fā)生多次偏轉(zhuǎn)，如圖7(e)箭頭所示，同時在掃描電鏡鏡頭下，可以清晰地辨認(rèn)出主裂紋行徑路上出現(xiàn)的二次裂紋小分叉，如圖7(f)所示。總的來說，隨著總應(yīng)變幅的增加，裂紋的擴(kuò)展路徑更多地出現(xiàn)在晶界處，但其偏轉(zhuǎn)程度有所增加，二次裂紋數(shù)量也逐漸增多。

圖7 不同應(yīng)變幅下120Mn13鋼的裂紋擴(kuò)展情況

3 討論

鑄態(tài)高錳鋼120Mn13在常溫拉伸過程中表現(xiàn)出明顯的鋸齒狀應(yīng)力應(yīng)變曲線，我們知道，發(fā)生動態(tài)應(yīng)變時效主要是因為位錯在運(yùn)動過程中與溶質(zhì)原子發(fā)生了交互作用[9]。然而，在室溫條件下，C原子的擴(kuò)散激活能特別高，使其不容易發(fā)生遷移。那么在拉伸變形過程中，晶格擴(kuò)散困難，間隙C原子與運(yùn)動位錯之間的的交互作用也就不強(qiáng)烈，從而不會出現(xiàn)鋸齒流變現(xiàn)象[10]。但是，高錳奧氏體鋼內(nèi)部普遍分布有C-Mn或Fe-C-Mn原子團(tuán)簇[11]，當(dāng)位錯在運(yùn)動過程中碰到原子團(tuán)簇時，C原子會跳躍并深陷位錯核中心，又由于C-Mn原子對強(qiáng)大的鍵合力，當(dāng)位錯想要繼續(xù)運(yùn)動則會被拖曳，這就需要施加更大的外力使位錯開動，那么宏觀上即表現(xiàn)為強(qiáng)化現(xiàn)象。

鑄態(tài)高錳鋼120Mn13在循環(huán)加載初期表現(xiàn)出明顯的循環(huán)硬化現(xiàn)象，之后便經(jīng)歷長期循環(huán)軟化階段直至斷裂失效。在各應(yīng)變幅下的循環(huán)變形初期，位錯迅速增殖，位錯密度增加，最大循環(huán)拉應(yīng)力也增加，從而出現(xiàn)了初始循環(huán)硬化現(xiàn)象。之后隨著循環(huán)的繼續(xù)進(jìn)行，試樣整個疲勞壽命的中后期一直處于循環(huán)軟化階段，這是位錯增殖導(dǎo)致的硬化效應(yīng)和位錯湮滅引起的軟化效應(yīng)之間的競爭機(jī)制引起的必然結(jié)果[7]，循環(huán)前期位錯的快速增殖，使彼此之間纏結(jié)，塞積等交互作用更加劇烈，這些阻礙在之后的循環(huán)加載中被破壞，從而促使位錯湮滅的發(fā)生，降低位錯密度。這使得試驗鋼在循環(huán)加載過程中用來維持恒定應(yīng)變速率所需要的外力會減小，從而宏觀上表現(xiàn)為循環(huán)軟化現(xiàn)象。也就是說，當(dāng)位錯的湮滅速度超過位錯的增殖速度時，試驗鋼的循環(huán)曲線會逐漸表現(xiàn)為軟化現(xiàn)象。

此外，動態(tài)應(yīng)變時效對材料的疲勞循環(huán)行為也有一定的影響。其中，C-Mn原子團(tuán)簇會對運(yùn)動位錯進(jìn)行迅速釘扎，為維持恒定的應(yīng)變速率，位錯發(fā)生大量增殖，而位錯密度的增加會進(jìn)一步增加循環(huán)硬化速率。在0.4%低應(yīng)變幅下并沒有鋸齒流變現(xiàn)象，這與較低的位錯增殖速率密切相關(guān)[7]，在0.6%以上高應(yīng)變幅情況下，試驗鋼在循環(huán)初期均表現(xiàn)出不同程度的動態(tài)應(yīng)變時效現(xiàn)象(見圖4)，而0.6%應(yīng)變幅下的循環(huán)硬化率憑借劇烈的動態(tài)應(yīng)變時效，其與0.8%應(yīng)變幅下的循環(huán)硬化率相差較小(見圖5a)，這可能與高應(yīng)變幅下位錯湮滅速度增快有關(guān)。

整個疲勞壽命主要由兩部分組成，即裂紋萌生階段與裂紋擴(kuò)展階段[12]，材料自身的強(qiáng)度與韌性直接影響裂紋形核的難易程度[13]。一般而言，應(yīng)變幅越大，材料越容易開裂[14]。另外由圖7可以發(fā)現(xiàn)，隨著總應(yīng)變幅的增加，鑄態(tài)高錳鋼120Mn13裂紋擴(kuò)展路徑多次沿著晶界前進(jìn)，更易失穩(wěn)。同時其裂紋尖端的偏轉(zhuǎn)程度也有所增加，這在一定程度上會提高裂紋擴(kuò)展抗力，使得裂紋擴(kuò)展速率降低。二次裂紋數(shù)量也有所增加，眾所周知，裂紋分叉也可以松弛主裂紋尖端應(yīng)力集中，減緩擴(kuò)展速率，從而也能阻礙主裂紋的擴(kuò)展[15]。這是120Mn13試驗鋼在中高應(yīng)變幅下壽命相差較小的主要原因。

4 結(jié)論

(1)鑄態(tài)120Mn13鋼在常溫拉伸變形過程中，表現(xiàn)出明顯的鋸齒狀流變曲線。按照鋸齒形狀分可為兩類：山峰狀A(yù)型鋸齒，波動頻率較低；波浪狀B型鋸齒，波動頻率較高。

(2)鑄態(tài)120Mn13鋼在任何應(yīng)變幅下，均先發(fā)生循環(huán)硬化階段，后循環(huán)軟化直至斷裂。且隨著應(yīng)變幅的增加，其最大循環(huán)拉應(yīng)力及循環(huán)硬化率逐漸增加，而疲勞壽命卻減小。

(3)隨著總應(yīng)變幅的增加，試驗鋼的裂紋多發(fā)生沿晶擴(kuò)展，但主裂紋偏轉(zhuǎn)程度有所增強(qiáng)，可提高裂紋擴(kuò)展抗力；二次裂紋數(shù)量增多，又能減緩裂紋擴(kuò)展速率。這是在0.6%與0.8%應(yīng)變幅下，鑄態(tài)120Mn13鋼壽命相差較小的主要原因。