預(yù)應(yīng)變對Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板低周疲勞行為的影響

周彬彬，于 鵬,常 樂，周昌玉，業(yè) 成，張伯君

(1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué), 江蘇 南京 210023)(2.南京工業(yè)大學(xué), 江蘇 南京 211816)(3.南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院, 江蘇 南京 210028)

在設(shè)備制造、組裝及工程建設(shè)中，材料不可避免地會產(chǎn)生塑性變形，即出現(xiàn)預(yù)應(yīng)變[1-4]。研究表明[5]，預(yù)應(yīng)變能夠在一定程度上提高材料的屈服強度和抗拉強度，但會引起材料塑性和韌性的降低。對于均質(zhì)材料，因預(yù)應(yīng)變處理引起的材料強度提高會導(dǎo)致高周疲勞壽命提高，而引起的塑性耗散可能導(dǎo)致低周疲勞壽命降低。對不同材料預(yù)應(yīng)變后的低周疲勞研究表明，預(yù)應(yīng)變對疲勞壽命的影響具有差異性。預(yù)應(yīng)變會顯著抑制非對稱加載下工業(yè)純鈦的棘輪變形，降低循環(huán)變形過程中的應(yīng)變幅，從而提高疲勞壽命[6,7]。而應(yīng)變控制下，Q345R鋼循環(huán)變形過程中的應(yīng)力幅在預(yù)應(yīng)變后顯著提高，因此塑性損傷程度提高，疲勞壽命降低[8]。材料在塑性變形過程中會產(chǎn)生位錯和孿晶，從而影響后續(xù)的循環(huán)變形行為[9-11]。一方面，預(yù)應(yīng)變過程中形成的位錯結(jié)構(gòu)將阻礙循環(huán)變形過程中位錯的產(chǎn)生，提高循環(huán)變形能力，因此材料的疲勞壽命提高[12]；另一方面，位錯與孿晶相互作用可能引發(fā)應(yīng)力集中，促進微裂紋的形成，從而降低疲勞壽命?？梢?，預(yù)應(yīng)變對材料疲勞壽命的影響需要結(jié)合材料的循環(huán)變形特性及顯微組織進行研究。

鋯-鈦-鋼爆炸焊接復(fù)合板在滿足耐腐蝕性、結(jié)構(gòu)強度等設(shè)計要求的情況下，大幅降低了純鋯設(shè)備的制造成本，在化工及核電工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[13]。由于鋯-鈦-鋼復(fù)合板在生產(chǎn)過程中不可避免的會產(chǎn)生預(yù)變形，同時爆炸焊接工藝還會導(dǎo)致復(fù)合板界面產(chǎn)生脆性金屬間化合物，而金屬復(fù)合板組分材料間普遍存在力學(xué)性能差異，這都將導(dǎo)致金屬復(fù)合板低周疲勞行為顯著區(qū)別于均質(zhì)單一材料。

目前，預(yù)應(yīng)變對低周疲勞行為影響的研究還局限于均質(zhì)單一材料，而對受預(yù)應(yīng)變影響的金屬復(fù)合板低周疲勞行為的研究還未見報道[14,15]。基于此，以鋯-鈦-鋼復(fù)合板為研究對象，研究其受預(yù)應(yīng)變影響的低周疲勞行為，詳細探討加載參數(shù)及預(yù)應(yīng)變對鋯-鈦-鋼復(fù)合板疲勞損傷、棘輪損傷、疲勞壽命的影響，為金屬復(fù)合板設(shè)備的安全運行提供理論依據(jù)和工程評價方法。

1 實 驗

實驗材料為爆炸復(fù)合Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板，其Zr702純鋯層厚度2 mm，TA2純鈦層厚度1.8 mm,Q345R鋼層厚度8.2 mm。

采用線切割從復(fù)合板上切取低周疲勞試樣，取樣位置遠離復(fù)合板邊緣及爆炸中心。試樣標距段依次經(jīng)400#、800#、1200#、2000#砂紙打磨。疲勞試樣尺寸如圖1所示。

圖1 Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板低周疲勞試樣尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of low cycle fatigue specimen of Zr702/TA2/Q345R composite plate

對金屬復(fù)合板進行預(yù)拉伸變形，可能導(dǎo)致結(jié)合界面初始缺陷被過分放大[16]，因此，宜采用低預(yù)應(yīng)變水平進行探究。本實驗中，預(yù)應(yīng)變水平分別設(shè)置為0%、2%、4%，應(yīng)力幅σa分別設(shè)置為310、340、370 MPa，平均應(yīng)力σm分別設(shè)置為0、30 MPa。低周疲勞實驗采用對稱及非對稱載荷加載，具體實驗方案如表1所示。

表1 Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板預(yù)應(yīng)變低周疲勞實驗方案

在MTS809疲勞試驗機上進行低周疲勞實驗，采用應(yīng)力控制加載模式。實驗過程中，應(yīng)力保持恒定，加載波形為三角波，加載速率為600 MPa/s。預(yù)應(yīng)變拉伸方向與疲勞實驗載荷施加方向一致，為垂直于復(fù)合板軋制方向。實驗數(shù)據(jù)由MTS809疲勞實驗機自動記錄，當試樣標距段發(fā)生斷裂，低周疲勞實驗停止。用線切割方法從疲勞斷裂試樣標距段切取金相試樣，采用蔡司Axio Imager A1m光學(xué)顯微鏡觀察微觀組織。采用Phenom Pro X型掃描電子顯微鏡觀察疲勞試樣斷口形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)應(yīng)變對顯微組織的影響

不同預(yù)應(yīng)變水平下Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板的顯微組織如圖2所示。從圖2a～2f可以看出，Zr702純鋯和TA2純鈦中滑移帶和孿晶組織隨著預(yù)應(yīng)變水平的提高而增加。Zr702純鋯及TA2純鈦原始組織為密排六方(HCP)結(jié)構(gòu)，在預(yù)應(yīng)變后位錯密度顯著提高，產(chǎn)生的位錯纏結(jié)和塞積會阻礙新位錯的產(chǎn)生，進而導(dǎo)致材料的屈服強度提高[11]。從圖2g～2i可以看出，Q345R鋼層原始組織為鐵素體和珠光體，預(yù)應(yīng)變前后并未觀察到顯著變化。

圖2 不同預(yù)應(yīng)變下Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板的顯微組織Fig.2 Microstructures of Zr702/TA2/Q345R composite plate under different pre-strain levels: (a,d,g) 0%； (b,e,h) 2%； (c,f,i) 4%

密排六方金屬對稱性低，獨立的滑移系少，且由于金屬鋯和鈦的軸比均小于理想軸比1.633，因此滑移方式復(fù)雜。盡管鋯材和鈦材空間獨立的滑移系數(shù)目較少，卻依舊擁有較好的塑性，這主要是由于孿晶對塑性變形的貢獻。研究表明，常溫下密排六方金屬材料很容易產(chǎn)生形變孿晶，而體心立方金屬只有在極低溫度或極高變形速率下才會產(chǎn)生形變孿晶[17-19]。孿晶提供的獨立切變、晶粒再取向和二次孿晶均有利于塑性變形，并且孿晶晶界可以阻礙位錯的運動，提高材料的強度，從而起到細晶強化的作用[20]。

2.2 預(yù)應(yīng)變對低周疲勞行為的影響

2.2.1 預(yù)應(yīng)變對循環(huán)變形行為的影響

一般而言，循環(huán)加載過程中應(yīng)變范圍越大，材料的損傷累積程度越高。圖3為對稱及非對稱載荷下不同預(yù)應(yīng)變水平Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板應(yīng)變范圍隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線?？梢钥闯觯A(yù)應(yīng)變處理后，應(yīng)變幅隨加載次數(shù)增加而提高，Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板依舊表現(xiàn)出循環(huán)軟化特征，應(yīng)變范圍相較于未經(jīng)預(yù)應(yīng)變處理的試樣大幅提高。

對于Zr/Steel復(fù)合板，應(yīng)力幅以及平均應(yīng)力的提高都會促進應(yīng)變范圍增加，加快塑性應(yīng)變的累積[21]。從圖3a～3c可以看出，對稱應(yīng)力控制時，預(yù)應(yīng)變后的應(yīng)變范圍相較于預(yù)應(yīng)變前顯著提高。其中，2%及4%預(yù)應(yīng)變水平下應(yīng)變范圍相近，二者差異主要出現(xiàn)在加載后期及應(yīng)力幅較高時。從圖3d～3f可以看出，非對稱載荷下，整個加載周期的應(yīng)變范圍隨著預(yù)應(yīng)變水平提高而增加。因此，相較于未預(yù)應(yīng)變處理試樣，所有試樣循環(huán)軟化行為受到預(yù)應(yīng)變的促進作用，應(yīng)變范圍顯著提高。但是，并非所有加載參數(shù)下的應(yīng)變范圍都隨著預(yù)應(yīng)變水平提高而增大，圖3a和圖3b中，2%與4%預(yù)應(yīng)變下的應(yīng)變范圍十分接近。單一均勻Q345R鋼表現(xiàn)出循環(huán)軟化特征，而預(yù)應(yīng)變處理會提前損耗Q345R鋼的塑性變形能力，提高其在循環(huán)變形過程中的損傷累積?？梢姡捎诨腝345R鋼在Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板中占比高，復(fù)合板在預(yù)應(yīng)變下的循環(huán)變形特性主要受到預(yù)應(yīng)變后基材Q345R鋼的影響。

圖3 對稱及非對稱載荷下不同預(yù)應(yīng)變水平Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板應(yīng)變范圍隨循環(huán)次數(shù)的變化Fig.3 Variation of strain range with cycle number of Zr702/TA2/Q345R composite plate under different pre-strain levels: (a，b，c) symmetrical stress control; (d，e，f) asymmetric stress control

研究表明，Zr/Steel復(fù)合板裂紋總是在鋯-鋼界面脆性金屬化合物或缺陷處萌生[21]，其循環(huán)變形行為及疲勞壽命受到取樣位置、結(jié)合界面缺陷和界面強度的顯著影響。并且，預(yù)應(yīng)變后，Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板組成材料的強度均得到了不同程度的提高，這導(dǎo)致微孔、塑性損傷及微裂紋更易在界面處形成，從而提高整體材料的應(yīng)變范圍，影響整體材料的循環(huán)變形特征。

圖4給出了對稱及非對稱載荷下Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板疲勞壽命隨預(yù)應(yīng)變水平的變化。從圖4可以看出，除AS1組外，其余加載參數(shù)下預(yù)應(yīng)變后的疲勞壽命較未經(jīng)預(yù)應(yīng)變的下降。理論上，隨著預(yù)應(yīng)變水平提高，材料塑性被提前損耗，應(yīng)變范圍增加，循環(huán)加載過程中的塑性損傷程度也不斷提高，疲勞壽命因此下降。但是，圖4中，隨著預(yù)應(yīng)變水平的進一步提高，2%及4%預(yù)應(yīng)變下疲勞壽命的變化規(guī)律并不明顯，僅有S2組、AS2組和AS3組的疲勞壽命隨預(yù)應(yīng)變提高而持續(xù)降低。

圖4 對稱及非對稱載荷下Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板疲勞壽命隨預(yù)應(yīng)變水平的變化曲線Fig.4 Variation curves of fatigue life with pre-strain levels of Zr702/TA2/Q345R composite plate: (a) symmetrical stress control; (b) asymmetric stress control

對單一均質(zhì)材料而言，應(yīng)變幅大小直接決定了材料內(nèi)部塑性損傷累積程度，材料疲勞壽命主要取決于應(yīng)變幅大小。在多數(shù)加載參數(shù)下，2%與4%預(yù)應(yīng)變試樣的應(yīng)變幅曲線比較接近(見圖3)，因此二者疲勞壽命之間的差異并不顯著。此外，與單一均質(zhì)材料相比，爆炸焊接復(fù)合板疲勞裂紋通常萌生于界面渦流區(qū)的脆性二次金屬化合物[21]，并且界面處夾雜、未熔合、脆性金屬間化合物及氣孔的存在都會影響疲勞壽命?？梢姡?%及4%預(yù)應(yīng)變下應(yīng)變幅的相似性，以及試樣之間界面結(jié)合質(zhì)量的差異性，是導(dǎo)致圖4中不同預(yù)應(yīng)變下疲勞壽命變化規(guī)律不明顯的原因。

2.2.2 預(yù)應(yīng)變對棘輪變形行為的影響

非對稱加載時，材料的循環(huán)軟化行為會促進棘輪應(yīng)變的累積，循環(huán)硬化行為會抑制棘輪應(yīng)變的累積[22]，而預(yù)應(yīng)變處理引起的包辛格效應(yīng)會抑制材料的棘輪變形。圖5給出了對稱及非對稱載荷下不同預(yù)應(yīng)變水平Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板棘輪應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的變化。圖5a和5b表明，未經(jīng)預(yù)應(yīng)變處理的復(fù)合板在對稱應(yīng)力控制加載模式下會發(fā)生緩慢的正向棘輪應(yīng)變累積。不同于未經(jīng)預(yù)應(yīng)變處理試樣緩慢增加的棘輪應(yīng)變，預(yù)應(yīng)變試樣的棘輪應(yīng)變隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加而不斷下降，并且在穩(wěn)定循環(huán)階段一直保持下降趨勢。預(yù)應(yīng)變水平越高，穩(wěn)定循環(huán)階段下的棘輪應(yīng)變越低。根據(jù)包辛格效應(yīng)[23]，材料經(jīng)過拉伸預(yù)應(yīng)變后其壓縮屈服極限下降，這導(dǎo)致了Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板出現(xiàn)反向棘輪應(yīng)變累積。由于棘輪損傷由正向棘輪應(yīng)變引起，因此預(yù)應(yīng)變引起的反向棘輪應(yīng)變導(dǎo)致棘輪損傷程度降低。

從圖5c可以看出，非對稱應(yīng)力控制時，相較于未經(jīng)預(yù)應(yīng)變處理的試樣，預(yù)應(yīng)變處理后的試樣依舊出現(xiàn)顯著的反向棘輪應(yīng)變累積，且2%及4%預(yù)應(yīng)變水平下棘輪應(yīng)變十分接近。圖5d中，由于棘輪應(yīng)變在加載后期快速增加，使得加載初期的反向棘輪應(yīng)變累積相比之下并不明顯。棘輪應(yīng)變直接取決于平均應(yīng)力大小，并且在高應(yīng)力幅時對平均應(yīng)力的敏感程度更高[22]，因此，圖5a～5d中加載后期棘輪應(yīng)變都出現(xiàn)了快速增加，數(shù)值為正，即棘輪應(yīng)變累積方向與載荷加載方向一致。

圖5 對稱及非對稱載荷下不同預(yù)應(yīng)變水平Zr702/TA2/Q345R 復(fù)合板棘輪應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.5 Variation curves of ratcheting strain with cycle number of Zr702/TA2/Q345R composite plate under different pre-strain levels: (a，b) symmetrical stress control; (c，d) asymmetrical stress control

為進一步明確預(yù)應(yīng)變對棘輪應(yīng)變的影響，圖6給出了不同加載條件下Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板0.5Nf及0.9Nf處棘輪應(yīng)變隨預(yù)應(yīng)變水平的變化規(guī)律。圖6表明，穩(wěn)定循環(huán)階段0.5Nf處的棘輪應(yīng)變變化更能反映預(yù)應(yīng)變對整體材料棘輪變形的影響。0.5Nf處的棘輪應(yīng)變變化規(guī)律表明，預(yù)應(yīng)變降低了對稱及非對稱加載下材料的棘輪應(yīng)變，抑制了棘輪損傷的產(chǎn)生，理論上可以提高材料的疲勞壽命。這表明，0.5Nf處棘輪變形特征隨預(yù)應(yīng)變水平變化規(guī)律明顯優(yōu)于0.9Nf處。這是由于0.9Nf處于循環(huán)變形后期，復(fù)合板的循環(huán)變形行為開始受到其界面脆性金屬間化合物脆性開裂的強烈影響[21]，在此時預(yù)應(yīng)變對循環(huán)變形特征的影響不再顯著。

圖6 對稱及非對稱載荷下Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板0.5Nf及0.9Nf處棘輪應(yīng)變隨預(yù)應(yīng)變水平的變化曲線Fig.6 Variation curves of ratcheting strain at 0.5Nf and 0.9Nf with pre-strain levels of Zr702/TA2/Q345R composite plate: (a) symmetrical stress control; (b) asymmetrical stress control

盡管預(yù)應(yīng)變抑制了棘輪變形，降低了棘輪損傷，但是提高了應(yīng)變范圍，導(dǎo)致循環(huán)載荷下的塑性損傷累積程度提高，提高了疲勞損傷程度。此外，預(yù)應(yīng)變處理增加了渦流區(qū)脆性化合物與周邊材料的變形不協(xié)調(diào)，引起的組分材料增強導(dǎo)致結(jié)合界面更加脆弱，并且放大了界面處的原始缺陷。

2.2.3 低周疲勞斷口分析

圖7為應(yīng)力幅340 MPa時，Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板在不同預(yù)應(yīng)變水平下的疲勞斷口形貌。對比圖7a、7c可以看出，預(yù)應(yīng)變后瞬斷區(qū)塑性變形程度略高、面積略大。疲勞壽命的差異還體現(xiàn)在裂紋萌生階段和預(yù)應(yīng)變導(dǎo)致的塑性變形能力變化。預(yù)應(yīng)變后，材料剩余塑性變形能力大幅下降，內(nèi)部損傷更早形成[24]，并且預(yù)應(yīng)變導(dǎo)致的組分材料屈服強度提高及脆性化合物處的變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致界面更易損傷，疲勞壽命較未預(yù)應(yīng)變時下降。

圖7 應(yīng)力幅為340 MPa，Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板在不同預(yù)應(yīng)變水平下的疲勞斷口形貌Fig.7 Fracture morphologies of Zr702/TA2/Q345R composite plate under different pre-strain levels with stress amplitude of 340 MPa: (a,b) 0%； (c，d) 2%

預(yù)應(yīng)變提高了位錯密度，導(dǎo)致位錯滑移時更容易發(fā)生交截和纏結(jié)，提高后續(xù)位錯滑移的阻力[11]，這是屈服強度隨預(yù)變形水平提高而增加的原因。并且預(yù)變形會提高試樣表面及內(nèi)部微裂紋缺陷的形成數(shù)量。裂紋萌生于界面脆性化合物，因此呈現(xiàn)出多源性，預(yù)應(yīng)變水平的提高增加了界面損傷的機率。對比圖7b、7d可以看出，預(yù)應(yīng)變前，裂紋萌生于脆性化合物，并向兩側(cè)材料穩(wěn)定擴展，擴展平面在化合物及組分材料內(nèi)平整均勻；預(yù)應(yīng)變后，裂紋源區(qū)形貌變得不再平整，裂紋擴展平面出現(xiàn)變化，這表明預(yù)應(yīng)變后脆性化合物與母材之間的變形不協(xié)調(diào)使裂紋更傾向于沿著脆性化合物邊界擴展。此外，預(yù)應(yīng)變導(dǎo)致界面初始缺陷被放大，并且組分材料強化導(dǎo)致界面更加脆弱。由于復(fù)合板脆性裂紋萌生的多源性，不同萌生位置的裂紋擴展平面相互交匯，形成明顯的撕裂棱及裂紋“爬坡”現(xiàn)象[25]。

圖8為不同預(yù)應(yīng)變下Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板各層材料的疲勞斷口形貌。從圖8a和8d可以看出， 預(yù)應(yīng)變前后Zr702純鋯裂紋擴展平面中的撕裂棱特征明顯，并伴隨有很淺的疲勞輝紋及韌窩；預(yù)應(yīng)變后，變形滑移帶則更長、更明顯。此外，Zr702純鋯中沒有觀察到具有明顯方向性的微裂紋，這表明微裂紋并非形成于裂紋擴展過程中，可能是爆炸焊接后覆材組織中形成的初始缺陷。從圖8b和8e可以看出，預(yù)應(yīng)變前后TA2純鈦中都存在密集的疲勞輝紋和明顯的撕裂棱特征，但鈦材中疲勞輝紋的方向性不如鋼材；預(yù)應(yīng)變后，鈦材中疲勞輝紋特征變淺，撕裂棱特征也略微減少，并且能夠觀察到明顯的變形滑移帶。從圖8c和8f可以看出，Q345R鋼中疲勞輝紋特征和二次裂紋特征顯著，伴隨少量撕裂棱特征；預(yù)應(yīng)變后，Q345R鋼中疲勞輝紋特征變淺，方向性變差。

圖8 不同預(yù)應(yīng)變下Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板各層材料的疲勞斷口形貌Fig.8 Fatigue fracture morphologies of each layer of Zr702/TA2/Q345R composite plate under different pre-strain levels: (a) Zr702 pure zirconium，0%；(a) Zr702 pure zirconium，0%；(b) TA2 pure titanium，0%；(c) Q345R steel，0%；(d) Zr702 pure zirconium，2%；(e) TA2 pure titanium，2%；(f) Q345R steel，20%

斷口觀察表明，預(yù)應(yīng)變后，疲勞輝紋特征變淺且方向性變差，鋯材和鈦材中出現(xiàn)明顯的變形滑移帶。循環(huán)載荷下，疲勞裂紋尖端不斷發(fā)生鈍化再銳化，裂尖損傷逐漸發(fā)展，形成疲勞輝紋特征。預(yù)應(yīng)變產(chǎn)生的位錯及孿晶會阻礙循環(huán)加載過程中新位錯的產(chǎn)生[22]，從而提高抗裂紋擴展阻力，這是預(yù)應(yīng)變后疲勞輝紋特征減少的原因。此外，預(yù)應(yīng)變處理提高了材料強度，導(dǎo)致材料后續(xù)塑性變形能力降低，裂尖的鈍化再銳化程度降低，疲勞輝紋特征不再明顯。

3 結(jié) 論

(1) 預(yù)應(yīng)變提高了Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板各層材料的屈服強度。預(yù)應(yīng)變后，鋯材及鈦材中的位錯及孿晶結(jié)構(gòu)大量增加，而基材Q345R鋼的組織未發(fā)生顯著變化。

(2) 預(yù)應(yīng)變提高了Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板循環(huán)變形過程中的應(yīng)變范圍，促進了塑性損傷累積，加快了損傷的形成，導(dǎo)致疲勞壽命降低。

(3) 盡管預(yù)應(yīng)變抑制了Zr702/TA2/Q345R復(fù)合板低周疲勞過程的棘輪變形，降低了棘輪損傷，但是提高了應(yīng)變范圍，導(dǎo)致循環(huán)載荷下的塑性損傷累積程度提高，提高了疲勞損傷程度。