應(yīng)力比和腐蝕環(huán)境對(duì)超高強(qiáng)度鋼AerM et100疲勞裂紋擴(kuò)展的影響

李松梅， 吳凌飛， 劉建華， 于 美， 文 陳

(北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191)

超高強(qiáng)度鋼由于其優(yōu)異的強(qiáng)度，塑性和韌性等性能，被廣泛用于制造飛機(jī)著陸部件、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼等航空、航天零部件［1，2］。AerMet100鋼是20世紀(jì)90年代開(kāi)始研究的新型高合金超高強(qiáng)度鋼，屬Co-Ni型二次硬化超高強(qiáng)度鋼。它具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性(KIC≥110MPa·m1/2，σb≥1930MPa)及良好的耐腐蝕性能，主要用于代替300M低合金高強(qiáng)度鋼成為飛機(jī)起落架等重要結(jié)構(gòu)件材料［3-5］。關(guān)于AerMet100的研究，在國(guó)內(nèi)依然集中在其微觀組織，二次硬化及熱處理工藝上，真正針對(duì)其工程性能應(yīng)用上的研究報(bào)道較少。其中于美用電化學(xué)方法研究AerMet100鋼在模擬海洋環(huán)境下的腐蝕行為［6］，劉建華對(duì)比AerMet100和300M鋼的應(yīng)力腐蝕斷裂性能，AerMet100鋼顯示出更好的應(yīng)力腐蝕抗性［7］。

腐蝕疲勞(Corrosion Fatigue，CF)是在腐蝕介質(zhì)和交變應(yīng)力聯(lián)合作用下產(chǎn)生的，若未在設(shè)計(jì)中考慮到疲勞失效，其危險(xiǎn)性是很大的。幾乎所有的腐蝕介質(zhì)對(duì)材料疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展都起作用，對(duì)于不同材料，這種作用有時(shí)以簡(jiǎn)單現(xiàn)象表現(xiàn)出來(lái)，有時(shí)則呈現(xiàn)出極復(fù)雜的現(xiàn)象［8］。腐蝕疲勞失效事件，在宇航、原子能等工業(yè)部門(mén)都會(huì)發(fā)生，在工程上的危害性不亞于應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，在考慮工程的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)予以足夠的重視［9］。

針對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展，材料在疲勞裂紋擴(kuò)展中速區(qū)和疲勞裂紋擴(kuò)展低速區(qū)的研究很有必要，可以揭示材料裂紋擴(kuò)展階段的規(guī)律和疲勞裂紋擴(kuò)展性能，為設(shè)計(jì)在選用材料時(shí)提供數(shù)據(jù)支持。朱明亮［10］提出材料裂紋擴(kuò)展模式隨應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值降低改變，進(jìn)而影響材料的疲勞裂紋擴(kuò)展行為。高彩茹［11］利用Paris公式對(duì)400MPa鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展曲線進(jìn)行擬合，得到了其裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值。張衛(wèi)國(guó)［12］研究了應(yīng)力比R對(duì)構(gòu)件疲勞裂紋擴(kuò)展的影響進(jìn)行了分析，但大部分的研究工作仍是研究材料在中速裂紋擴(kuò)展區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展行為。而Y.Yamada［13］則進(jìn)一步研究了在近門(mén)檻值范圍內(nèi)高應(yīng)力比條件下出現(xiàn)的疲勞裂紋閉合作用。

本實(shí)驗(yàn)主要研究新型超高強(qiáng)度鋼AerMet100鋼的腐蝕疲勞性能，針對(duì)材料在疲勞裂紋擴(kuò)展中速階段和疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值階段，影響疲勞裂紋擴(kuò)展的因素，得到其腐蝕疲勞的作用機(jī)理及變化規(guī)律;并討論AerMet100鋼受應(yīng)力比和腐蝕環(huán)境對(duì)裂紋擴(kuò)展行為的影響情況，分析材料在其疲勞過(guò)程中出現(xiàn)裂紋閉合的原因，以及受到裂紋閉合作用后疲勞裂紋擴(kuò)展行為的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

AerMet100鋼的成分如表1所示。熱處理制度為:885℃/1h固溶處理，油冷;-73℃/1h深冷，在空氣中回溫至室溫;482℃/5h時(shí)效，空冷。

AerMet100鋼的金相圖譜如圖1所示，可以看出AerMet100主要為回火馬氏體，顯示為高密度位錯(cuò)的板條狀。

AerMet100鋼的力學(xué)性能如表2所示。疲勞試樣為標(biāo)準(zhǔn)C(T)緊湊拉伸試樣，試樣尺寸如圖2所示。

在MTS880試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試疲勞性能，測(cè)試之前需先預(yù)制疲勞裂紋預(yù)制疲勞裂紋采用頻率為10Hz，交變應(yīng)力均為正弦波，應(yīng)力比為0.1，預(yù)制疲勞裂紋長(zhǎng)度為2mm。

對(duì)近門(mén)檻值裂紋擴(kuò)展區(qū)測(cè)試方法為ΔK控制自動(dòng)降載，頻率為20Hz，每級(jí)載荷降低量為5%，應(yīng)力比分別為R=0.1，0.3，0.5。裂紋擴(kuò)展量及疲勞裂紋擴(kuò)展速率通過(guò)引伸計(jì)柔度法進(jìn)行測(cè)量。對(duì)中速裂紋擴(kuò)展區(qū)測(cè)試采用載荷控制，實(shí)驗(yàn)方法和具體參數(shù)同近門(mén)檻值測(cè)試。腐蝕疲勞實(shí)驗(yàn)在3.5%NaCl溶液腐蝕環(huán)境進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中C(T)試樣的疲勞裂紋及裂紋擴(kuò)展位置恒定密封一腔室，用于儲(chǔ)存3. 5%NaCl溶液，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)間補(bǔ)充溶液。

表1 AerMet100鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Component of AerMet100 steel(mass fraction/%)

表2 AerMet100鋼的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of AerMet100

圖1 AerMet100鋼的顯微金相組織Fig.1 Metallography of AerMet100 steel

圖2 疲勞試樣尺寸示意圖Fig.2 Dimension of the fatigue specimen

2 結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力比對(duì)AerM et100鋼疲勞裂紋擴(kuò)展的影響

圖3為AerMet100鋼在應(yīng)力比R分別為0.1，0.3，0.5，裂紋擴(kuò)展速率在10-3～10-5mm/cycle范圍內(nèi)(中速裂紋擴(kuò)展區(qū))，裂紋擴(kuò)展速率(d a/d N)對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子(ΔK)曲線圖。在中速裂紋擴(kuò)展區(qū)，AerMet100鋼的裂紋擴(kuò)展速率對(duì)門(mén)檻值曲線走勢(shì)接近，受應(yīng)力比R影響不大。

圖3 中速裂紋擴(kuò)展區(qū)干燥空氣中不同應(yīng)力比條件下裂紋擴(kuò)展速率對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子關(guān)系曲線Fig.3 Middling FCG rate zone d a/d N versus ΔK curve in the dry air condition

利用Paris公式(公式(1))對(duì)圖3的疲勞裂紋擴(kuò)展曲線進(jìn)行擬合，得到表3中的結(jié)果。

式中，d a/d N為裂紋擴(kuò)展速率;ΔK為應(yīng)力強(qiáng)度因子;C和n均是有關(guān)材料的參數(shù)。

圖3中曲線的斜率為n值。可以看出，不同應(yīng)力比下的曲線斜率較為接近，n的擬合值在2.2左右。

C為外推d a/d N曲線對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展速率值(ΔK=1)。由參數(shù)C可知，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子相同時(shí)，在中速裂紋擴(kuò)展階段，應(yīng)力比越大，裂紋擴(kuò)展速率越快，但其絕對(duì)值變化細(xì)微。

表3 不同應(yīng)力比條件下Paris公式擬合值Table 3 Fitting parameters of Paris formula at different R

AerMet100鋼在應(yīng)力比R分別為0.05，0.1，0.3，0.5，0.7，裂紋擴(kuò)展速率在d a/d N＜10-5mm/cycle范圍內(nèi)(即近門(mén)檻值裂紋擴(kuò)展區(qū))干燥空氣下的裂紋擴(kuò)展速率(d a/d N)對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子(ΔK)關(guān)系曲線如圖4所示，以裂紋擴(kuò)展速率 d a/d N=10-7mm/cycle的應(yīng)力強(qiáng)度因子值作為材料的疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值，得到AerMet100鋼在不同應(yīng)力比條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值，結(jié)果如表4所示。

圖4 裂紋擴(kuò)展門(mén)檻區(qū)干燥空氣中不同應(yīng)力比條件下裂紋擴(kuò)展速率對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子曲線Fig.4 Near-threshold zone d a/d N versus ΔK curve in the dry air condition

表4 不同應(yīng)力比條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值Table 4 Threshold values of FCG at different load ratio R

由圖4及表4數(shù)據(jù)可以看出，在近門(mén)檻值區(qū)域，當(dāng)應(yīng)力比R在0.05～0.7的范圍內(nèi)時(shí)，，疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值ΔKth隨著應(yīng)力比R的增大而減小;當(dāng)應(yīng)力比不小于0.5時(shí)，ΔKth變化趨于平緩，隨應(yīng)力比增大趨向一恒定值，存在臨界應(yīng)力比R［14］cl，其變化趨勢(shì)如圖5所示。

綜合疲勞裂紋擴(kuò)展速率在中速區(qū)和門(mén)檻值區(qū)的變化規(guī)律，可以看出:當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展速率d a/d N≥1×10-5mm/cycle，應(yīng)力比R對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響較小。當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展速率d a/d N≤1× 10-5mm/cycle，疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值隨著應(yīng)力比的增大而減小，且存在臨界應(yīng)力比Rcl，當(dāng)R≥Rcl時(shí)，裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值趨于定值。超高強(qiáng)度300M鋼也具有這樣的特性。有研究人員把這種超高強(qiáng)度鋼在近門(mén)檻值區(qū)所表現(xiàn)出的特征歸結(jié)為裂紋閉合，一般產(chǎn)生的原因?yàn)榱鸭y尖端增塑，腐蝕環(huán)境或者表面粗糙變化［15］。

圖5 不同應(yīng)力比條件對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值曲線Fig.5 Threshold value versus load ratio curve

在本實(shí)驗(yàn)中，材料的裂紋擴(kuò)展在干燥空氣中進(jìn)行，所以只要考慮裂紋尖端增塑作用和表面粗糙變化引起的裂紋閉合。

針對(duì)材料的裂紋尖端增塑作用引起的裂紋尖端閉合效應(yīng)，Elber已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了裂紋尖端塑性區(qū)對(duì)疲勞裂紋閉合現(xiàn)象的影響［16］。裂紋擴(kuò)展的本質(zhì)為尖端在循環(huán)載荷的作用下不停張開(kāi)閉合作用，加載過(guò)程中，裂紋穿過(guò)塑性區(qū)擴(kuò)展，塑性區(qū)隨之增大，會(huì)在裂紋面兩側(cè)形成塑性變形層，稱為塑性尾跡［17］，如圖6a所示。在卸載過(guò)程中，塑性尾跡部分會(huì)對(duì)裂紋閉合產(chǎn)生抵抗力，由于裂紋尖端受到塑性尾跡的影響，使得疲勞裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生變化，出現(xiàn)裂紋閉合作用。

AerMet100鋼的斷口形貌見(jiàn)圖7?？梢钥闯鲈跀嗫谔帪槊黠@的臺(tái)階狀形貌，加載過(guò)程，裂紋擴(kuò)展，產(chǎn)生斷面;卸載過(guò)程中，斷口受到張開(kāi)型和剪切型混合應(yīng)力作用，在裂紋面局部產(chǎn)生錯(cuò)位，斷面的不平整提前接觸，也對(duì)裂紋閉合產(chǎn)生抵抗力，如圖6b所示，此時(shí)疲勞裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生變化，同樣導(dǎo)致裂紋閉合作用。

由于裂紋閉合作用，裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力由ΔKth=Kmax-Kmin變?yōu)榱甩eff=Kmax-Kop，其中Kop為在裂紋閉合下，能使裂紋擴(kuò)展的最小應(yīng)力強(qiáng)度因子，ΔKeff為加載過(guò)程中使裂紋擴(kuò)展的有效應(yīng)力值，如圖8所示。其中左側(cè)為應(yīng)力-應(yīng)力強(qiáng)度因子曲線，右側(cè)為一個(gè)完整的正弦加載波形。可以看出當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子在Kmin～Kop的范圍內(nèi)，裂紋出現(xiàn)閉合作用，無(wú)法擴(kuò)展，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子大于Kop，裂紋尖端才能張開(kāi)，使得裂紋進(jìn)行擴(kuò)展。

圖6 疲勞裂紋閉合作用示意圖 (a)尖端增塑作用;(b)加載和降載階段斷面粗糙引起的閉合作用Fig.6 Abridge general view of crack closure (a)crack plasticization effect;(b)roughness effect at load-on and load-off step

圖7 應(yīng)力比為0.1的疲勞試樣端口SEM斷口形貌Fig.7 SEM morphology of fracture for the specimen at R=0.1

在這種情況下，可以定義一個(gè)新的參量U:

式中，Kmin為加載過(guò)程中的最小應(yīng)力值。此時(shí)，Paris公式變形為:

已有實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)-0.1＜R＜0.7時(shí)，U受到了應(yīng)力比R的作用［18］，存在經(jīng)驗(yàn)公式:

圖8 裂紋閉合現(xiàn)象下應(yīng)力強(qiáng)度因子變化示意圖Fig.8 Change of the stress intensity factor while crack closing

式中A，B，C均為與材料有關(guān)的常數(shù)。

對(duì)于指定的材料，裂紋擴(kuò)展張開(kāi)應(yīng)力強(qiáng)度因子Kop是一個(gè)定值，當(dāng)ΔK確定時(shí)，在疲勞過(guò)程中存在:

進(jìn)一步簡(jiǎn)化為:

可知隨著應(yīng)力比R的增大，Kmin也隨之增大。當(dāng)裂紋擴(kuò)展進(jìn)入門(mén)檻值區(qū)時(shí)，必然會(huì)出現(xiàn)Kmin(R1)＜Kop＜Kmin(R2)，其中R1，R2為應(yīng)力比，且R1＜R2，此時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)，對(duì)于應(yīng)力比R1，裂紋在整個(gè)周期過(guò)程中都可以擴(kuò)展，而對(duì)于應(yīng)力比R2，裂紋在應(yīng)力強(qiáng)度因子小于Kop的條件下是不能擴(kuò)展的，這使得在這個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，裂紋擴(kuò)展量小于應(yīng)力比R1的條件。而當(dāng)R≥Rcl時(shí)，存在Kmin恒大于Kop，此時(shí)裂紋擴(kuò)展不受Kop限制。

當(dāng)出現(xiàn)裂紋閉合現(xiàn)象時(shí)，低應(yīng)力比受閉合作用的影響更大，從而出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值隨應(yīng)力比增大而減小;而當(dāng)應(yīng)力比大于臨界應(yīng)力比時(shí)，裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值呈現(xiàn)趨于穩(wěn)定的規(guī)律。

2.2 腐蝕環(huán)境對(duì)AerM et100鋼裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值的影響

AerMet100鋼在應(yīng)力比R=0.1，0.3，0.5的條件下，3.5%NaCl溶液和干燥空氣中，疲勞裂紋擴(kuò)展速率(d a/d N)對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子(ΔK)曲線如圖9所示。將腐蝕疲勞后試樣進(jìn)行宏觀拍照，如圖10，其中圖10a為宏觀的腐蝕疲勞裂紋，圖10b為通過(guò)體視顯微鏡拍攝到得疲勞裂紋放大圖。

圖9 裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值區(qū)干燥空氣和3.5%NaCl溶液中裂紋擴(kuò)展速率對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子曲線Fig.9 Near-threshold zone of fatigue crack growth d a/d N versusΔK curve in the dry air-condition and 3.5%NaCl solution (a)R=0.1;(b)R=0.3;(c)R=0.5

圖10 AerMet100鋼疲勞裂紋宏觀斷口照片(a)腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展試樣宏觀圖; (b)將裂紋擴(kuò)展區(qū)域放大宏觀圖Fig.10 The FCG macrograph of Aermet 100 (a)The macrograph of the corrosion fatigue crack;(b) further amplification of the crack

由圖9，可以求出在應(yīng)力R=0.1，0.3，0.5，不同環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值，結(jié)果如表5所示。

表5 不同應(yīng)力比，不同環(huán)境中的疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值Table 5 The threshold value of FCG in different environments and load ratios

通過(guò)表5和圖9可以看出，在不同應(yīng)力比水平條件下，干燥空氣和3.5%NaCl溶液中疲勞裂紋擴(kuò)展曲線都出現(xiàn)了相交(圖9)，相交的疲勞裂紋擴(kuò)展速率大致為1×10-5mm/cycle。

當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展速率d a/d N≥1×10-5mm/cycle時(shí)，腐蝕環(huán)境使得AerMet100鋼的裂紋擴(kuò)展更加迅速。但是當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展速率d a/d N≤1×10-5mm/cycle時(shí)，則出現(xiàn)相反的情況，腐蝕條件下的裂紋擴(kuò)展速率較未腐蝕情況更小。這種情況在300M，2-1/4Cr-1Mo等材料中也存在［15，17，18］。這種在疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值附近出現(xiàn)的反轉(zhuǎn)情況是由于氧化物致疲勞裂紋尖端閉合導(dǎo)致的。

近門(mén)檻值范圍的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展出現(xiàn)上述情況的主要原因如下。(1)3.5%NaCl溶液的腐蝕氛圍會(huì)使得鋼出現(xiàn)腐蝕溶解反應(yīng)，并生成腐蝕產(chǎn)物，形成氧化膜［8］，這種作用在較高的疲勞裂紋擴(kuò)展速率階段，會(huì)使材料性能下降，加快疲勞裂紋擴(kuò)展。(2)腐蝕環(huán)境促使形成腐蝕沉積物，通過(guò)計(jì)算可以得知，1cm3的Fe會(huì)被氧化成1.76cm3的FeO，2.07cm3的Fe3O4或者2.13cm3的Fe2O3，隨著其腐蝕過(guò)程推進(jìn)，氧化產(chǎn)物會(huì)使封閉的裂紋內(nèi)部出現(xiàn)更大體積的腐蝕產(chǎn)物。在疲勞應(yīng)力的作用下，裂紋擴(kuò)展面被腐蝕后產(chǎn)生的氧化物膜層，不斷地破壞和再生，在引起裂紋擴(kuò)展的同時(shí)又導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物的堆積，這種疲勞裂紋擴(kuò)展形式被稱為“微動(dòng)磨損機(jī)制”，在這種機(jī)制作用下氧化層會(huì)進(jìn)一步致密增厚。(3)在低ΔK水平下，疲勞裂紋擴(kuò)展很慢，裂紋張開(kāi)位移量低(門(mén)檻值處的最大裂紋頂端張開(kāi)位移為10-7m的數(shù)量級(jí)［17］)。隨著ΔK的降低，裂紋處的最小張開(kāi)位移不斷降低，直至其厚度方向的尺寸與腐蝕產(chǎn)物堆積引起的厚度變化相當(dāng)，裂紋尖端出現(xiàn)氧化物閉合作用，使得裂紋擴(kuò)展需要克服裂紋張開(kāi)最小應(yīng)力強(qiáng)度因子Kop，此時(shí)裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生變化，由ΔKth=Kmax-Kmin變?yōu)棣eff=Kmax-Kop，導(dǎo)致在腐蝕環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率變慢，疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值變大。

將AerMet100鋼腐蝕疲勞和未腐蝕疲勞試樣拉斷后，觀察其疲勞斷口形貌，見(jiàn)，圖11。由圖11可以看出，在未腐蝕條件下，疲勞斷口呈現(xiàn)顯著的河流花樣，為典型的疲勞斷口形貌，圖11a。當(dāng)有腐蝕產(chǎn)物作用后，斷口表面附著了一層腐蝕產(chǎn)物，且表面的基本河流花樣消失，見(jiàn)圖11b。去腐蝕產(chǎn)物后，可以看出斷口表面有大量的腐蝕坑，如圖11c所示。將腐蝕坑放大后(圖11d)，可以看出腐蝕坑附近已經(jīng)沒(méi)有典型的疲勞花樣，說(shuō)明腐蝕產(chǎn)生明顯的作用。

結(jié)合在腐蝕條件下的低速疲勞裂紋擴(kuò)展作用規(guī)律，AerMet100鋼在腐蝕環(huán)境中的疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值出現(xiàn)相反的變化是由于氧化產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物導(dǎo)致裂紋閉合引起的。在不同裂紋擴(kuò)展速率下，不同的裂紋擴(kuò)展機(jī)制的作用導(dǎo)致了裂紋擴(kuò)展速率曲線在d a/d N=1×10-5mm/cycle的位置出現(xiàn)交點(diǎn)。

圖11 AerMet100鋼疲勞腐蝕微觀斷口照片(a)惰性條件下的材料斷口; (b)腐蝕條件下的材料斷口; (c)去腐蝕產(chǎn)物后材料斷口; (d)斷口上腐蝕坑放大圖Fig.11 Fracture SEM image of corrosion fatigue for AerMet100 (a)fracture in the inert condition;(b)fracture in the corrosion condition;(c)fracture in the corrosion condition without the corrosion products; (d)amplification for the corrosion etch pits

將裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值在不同應(yīng)力比，兩種不同環(huán)境中的差值進(jìn)行比較(表5)可知，隨著應(yīng)力比的增大，裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值在不同環(huán)境下的差值D變小，這是由于裂紋閉合作用在低應(yīng)力比條件下更為顯著，從而導(dǎo)致了裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值在不同環(huán)境下的差值隨應(yīng)力比增大而減小的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)在疲勞裂紋擴(kuò)展速率d a/d N≥1×10-5mm/ cycle的范圍內(nèi)，應(yīng)力比對(duì)材料裂紋擴(kuò)展行為影響較小，;在疲勞裂紋擴(kuò)展速率d a/d N≤1×10-5mm/cycle的范圍內(nèi)，應(yīng)力比越大，疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值越小，隨著應(yīng)力比增大，裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值變化趨于穩(wěn)定。這是由于材料受到塑性尾跡和斷口粗糙所引起的裂紋尖端閉合效應(yīng)所致。

(2)在疲勞裂紋擴(kuò)展速率d a/d N≥1×10-5mm/ cycle時(shí)，腐蝕環(huán)境下疲勞裂紋擴(kuò)展較快;在疲勞裂紋擴(kuò)展速率d a/d N≤1×10-5mm/cycle時(shí)，由于氧化產(chǎn)物在裂紋尖端堆積，使裂紋尖端產(chǎn)生閉合的效應(yīng)，導(dǎo)致腐蝕環(huán)境下疲勞裂紋擴(kuò)展較慢，腐蝕環(huán)境使裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值變大。通SEM照片顯示斷口存在明顯的腐蝕層。

(3)無(wú)論是塑性尾跡，斷面粗糙或者是腐蝕產(chǎn)物堆積引起的裂紋閉合效應(yīng)，都會(huì)對(duì)加載循環(huán)中裂紋張開(kāi)-閉合過(guò)程產(chǎn)生影響，改變裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，從而使裂紋擴(kuò)展行為產(chǎn)生變化。

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