李 鋒， 霍蕭冉， 陳立佳

(沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽 110870)

1 材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為Incoloy 825合金，其化學(xué)成分如表1所示.循環(huán)變形試樣的幾何尺寸如圖1所示(單位：mm)，試樣厚度為12 mm.

表1 合金的化學(xué)成分(w)Tab.1 Chemical composition of alloy(w) %

圖1 循環(huán)變形試樣的幾何尺寸Fig.1 Geometry of specimen for cyclic deformation

圖2 拉伸和壓縮應(yīng)變循環(huán)波形示意圖Fig.2 Schematic diagrams of waveforms during tensile and compression strain cycles

利用JEM-2100型透射電子顯微鏡對變形后Incoloy 825合金的TEM樣品進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察與

分析.此外，采用S-3400N型掃描電子顯微鏡對典型試樣斷口進(jìn)行觀察，以明確Incoloy 825合金在不同應(yīng)變循環(huán)波形下的裂紋萌生與擴(kuò)展模式.

2 結(jié)果與分析

2.1 循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為

圖3為Incoloy 825合金在不同條件下的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線.

圖3 不同波形下合金的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線Fig.3 Cyclic stress response curves of alloy under different waveforms

由圖3a可知，在拉伸應(yīng)變保時(shí)循環(huán)下當(dāng)Δεt/2為0.3%時(shí)，合金發(fā)生先循環(huán)硬化后循環(huán)軟化行為；當(dāng)Δεt/2為0.4%和0.5%時(shí)，在整個(gè)循環(huán)變形期間合金持續(xù)硬化直至斷裂.當(dāng)Δεt/2為0.6%和0.7%時(shí)，合金則呈現(xiàn)為先循環(huán)硬化后循環(huán)穩(wěn)定行為.由圖3b可知，在壓縮應(yīng)變保時(shí)循環(huán)下當(dāng)Δεt/2為0.3%和0.4%時(shí)，在整個(gè)循環(huán)過程中合金表現(xiàn)為循環(huán)硬化行為，其硬化持續(xù)周次與拉伸應(yīng)變保時(shí)循環(huán)時(shí)相比略長；當(dāng)Δεt/2為0.5%、0.6%和0.7%時(shí)，合金在循環(huán)變形初期發(fā)生循環(huán)硬化，且當(dāng)Δεt/2≥0.6%時(shí)，其初始硬化持續(xù)周次與拉伸應(yīng)變保時(shí)循環(huán)時(shí)相比略長，隨后達(dá)到一定循環(huán)周次后合金的循環(huán)應(yīng)力幅值不再隨著循環(huán)周次的增加而改變，此時(shí)合金發(fā)生循環(huán)穩(wěn)定，這是因?yàn)楹辖鹪谘h(huán)硬化之后出現(xiàn)一個(gè)短暫的穩(wěn)定應(yīng)力響應(yīng)階段.結(jié)合圖3b可知，當(dāng)Δεt/2≥0.6%時(shí)，壓縮應(yīng)變保時(shí)循環(huán)下合金穩(wěn)定應(yīng)力響應(yīng)階段的開始周次大于拉伸應(yīng)變保時(shí)循環(huán)，但其持續(xù)周次與拉伸應(yīng)變保時(shí)循環(huán)相比略短.

2.2 循環(huán)變形微觀結(jié)構(gòu)

圖4為拉伸應(yīng)變保時(shí)循環(huán)下Incoloy 825合金循環(huán)變形斷裂后的位錯(cuò)組態(tài).由圖4a可見，當(dāng)Δεt/2為0.4%時(shí)，合金內(nèi)位錯(cuò)分布集中，位錯(cuò)線呈彎曲狀態(tài)，在合金中可清晰地觀察到位錯(cuò)纏結(jié)，這些位錯(cuò)纏結(jié)有效阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，故在此種加載條件下合金發(fā)生循環(huán)硬化.由圖4b可見，當(dāng)Δεt/2為0.6%時(shí)，合金內(nèi)部位錯(cuò)密度較高，且存在清晰的位錯(cuò)纏結(jié)，這會阻塞位錯(cuò)運(yùn)動(dòng).由圖4c可見，合金內(nèi)盡管存在位錯(cuò)塞積，但其所占比例較小，大部分區(qū)域的位錯(cuò)呈現(xiàn)均勻分布，且位錯(cuò)密度與圖4b相比較低，同時(shí)可觀察到由平直位錯(cuò)線組成的位錯(cuò)陣列，其位錯(cuò)組態(tài)較為簡單.在此條件下位錯(cuò)不斷增殖的同時(shí)伴隨著位錯(cuò)的湮沒，這相當(dāng)于異號位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)期間彼此遇見而后消失，進(jìn)而促使變形期間的位錯(cuò)滑移阻力減小，致使位錯(cuò)滑移所需的外加應(yīng)力減少，由此產(chǎn)生循環(huán)軟化.綜上所述，該合金在變形末期呈現(xiàn)出的循環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)可以認(rèn)為是位錯(cuò)增殖產(chǎn)生的硬化效應(yīng)與位錯(cuò)湮沒所引起的軟化效應(yīng)彼此抵消而形成的一種狀態(tài).

圖4 合金在拉伸應(yīng)變保時(shí)下的位錯(cuò)組態(tài)Fig.4 Dislocation configurations of alloy under tensile strain and load-holding

圖5為壓縮應(yīng)變保時(shí)循環(huán)下合金循環(huán)變形斷裂后的位錯(cuò)組態(tài).由圖5a可見，當(dāng)Δεt/2為0.4%時(shí)，合金內(nèi)部產(chǎn)生大量位錯(cuò)，此種高密度位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)期間彼此間會出現(xiàn)交互作用的現(xiàn)象，從而形成位錯(cuò)纏結(jié)，進(jìn)而成為位錯(cuò)進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)時(shí)所不可逾越的障礙，致使位錯(cuò)可動(dòng)性降低，故在此加載條件下合金在整個(gè)循環(huán)變形期間均呈現(xiàn)為循環(huán)硬化.由圖5b可以觀察到，當(dāng)Δεt/2為0.6%時(shí)，合金中位錯(cuò)分布密集且具有位錯(cuò)纏結(jié)，其成為位錯(cuò)進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)的障礙，導(dǎo)致循環(huán)硬化，此外，相互平行的位錯(cuò)墻也存在于合金中，呈現(xiàn)典型的平面滑移特征.由圖5c可見，合金中存在平行的位錯(cuò)線，且位錯(cuò)組態(tài)較為簡單，位錯(cuò)分布較為均勻，故在此加載條件下合金在循環(huán)變形后期發(fā)生了循環(huán)穩(wěn)定.

圖5 合金在壓縮應(yīng)變保時(shí)下的位錯(cuò)組態(tài)Fig.5 Dislocation configurations of alloy under compression strain and load-holding

由前述分析可知，無論是在拉伸還是壓縮應(yīng)變保時(shí)循環(huán)變形條件下，Incoloy 825合金的循環(huán)變形機(jī)制均為平面滑移機(jī)制.

2.3 壽命行為

表2為合金在不同應(yīng)變幅下不同波形所對應(yīng)的壽命值.由表2可見，當(dāng)外加總應(yīng)變幅度相同時(shí)，合金在壓縮應(yīng)變保時(shí)循環(huán)下的壽命與拉伸應(yīng)變保時(shí)循環(huán)相比略高，即壓縮應(yīng)變保時(shí)循環(huán)變形對合金的損傷小于拉伸應(yīng)變保時(shí)循環(huán)所造成的損傷.

表2 合金在不同應(yīng)變幅和波形下的壽命值Tab.2 Life values of alloy under different strain amplitudes and waveforms

總應(yīng)變幅Δεt/2由塑性應(yīng)變幅Δεp/2和彈性應(yīng)變幅Δεe/2構(gòu)成，即

Δεt/2=Δεp/2+Δεe/2=

式中：2Nf、ε′f、c、σ′f、b和E分別為合金循環(huán)至斷

裂時(shí)的載荷反向周次、疲勞延性系數(shù)、疲勞延性指數(shù)、疲勞強(qiáng)度系數(shù)、疲勞強(qiáng)度指數(shù)與楊氏模量.

圖6為不同應(yīng)變循環(huán)波形下Incoloy 825合金的Δεp/2、Δεe/2和Δεt/2與2Nf之間的關(guān)系曲線.

圖6 合金的應(yīng)變幅與壽命曲線Fig.6 Curves of strain amplitude versus fatigue life of alloy

由圖6可見，兩種波形下合金的Δεp/2和2Nf及Δεe/2和2Nf間均呈線性關(guān)系，Δεp/2和Δεe/2可通過半壽命時(shí)的循環(huán)滯后回線確定.利用圖6中Δεp/2和Δεe/2與2Nf之間的關(guān)系曲線，通過線性回歸處理可得到Incoloy 825合金的應(yīng)變疲勞參數(shù)，結(jié)果如表3所示.由表3可知，壓縮應(yīng)變保時(shí)循環(huán)下合金的σ′f值和ε′f值與拉伸應(yīng)變保時(shí)循環(huán)下相比均較高，而合金的c值和b值與拉伸應(yīng)變保時(shí)循環(huán)下相比則較低.

表3 合金的應(yīng)變疲勞參數(shù)Tab.3 Strain fatigue parameters of alloy

2.4 斷口形貌

圖7為Incoloy 825合金在不同波形及外加總應(yīng)變幅下疲勞源區(qū)的SEM形貌.由圖7可觀察到，合金的裂紋主要通過穿晶模式在試樣的自由表面(箭頭所指處)萌生，且存在放射狀紋理.不同波形下當(dāng)外加總應(yīng)變幅較高時(shí)，在試樣的斷口表面存在兩個(gè)或兩個(gè)以上的疲勞裂紋萌生部位，此時(shí)合金發(fā)生多源疲勞斷裂.

圖7 合金的裂紋萌生區(qū)形貌Fig.7 Morphologies of alloy in crack initiation sites

圖8為不同波形及不同應(yīng)變幅下Incoloy 825合金的裂紋擴(kuò)展區(qū)SEM形貌.圖8a中合金的裂紋擴(kuò)展區(qū)與圖8b相比略為平整，且均可觀察到清晰的疲勞條帶及少量二次裂紋，說明合金在此條件下的裂紋擴(kuò)展方式均為穿晶型.圖8c、d中合金的擴(kuò)展模式并未發(fā)生改變，可觀察到非常清晰的疲勞條帶，亦能觀察到二次裂紋，說明外加總應(yīng)變幅的大小對裂紋擴(kuò)展方式無影響.通過迪比分析可知，圖8c中二次裂紋數(shù)量高于圖8d，因而合金的拉伸應(yīng)變保時(shí)循環(huán)壽命較低.此外，隨著外加總應(yīng)變幅的增加，二次裂紋數(shù)量有所增加，故而合金壽命有所降低.

圖8 合金的裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌Fig.8 Morphologies of alloy in crack propagation regions

3 結(jié) 論

通過以上實(shí)驗(yàn)分析可得到如下結(jié)論：

1) 拉伸應(yīng)變保時(shí)循環(huán)變形時(shí)，Incoloy 825合金在Δεt/2為0.3%下呈現(xiàn)先循環(huán)硬化后循環(huán)軟化，而在其他應(yīng)變幅下呈現(xiàn)循環(huán)硬化或先循環(huán)硬化后循環(huán)穩(wěn)定；壓縮應(yīng)變保時(shí)循環(huán)變形時(shí)，合金在低應(yīng)變幅下呈現(xiàn)循環(huán)硬化，在高應(yīng)變幅下則表現(xiàn)為先循環(huán)硬化后循環(huán)穩(wěn)定.

2) 與拉伸應(yīng)變保時(shí)循環(huán)相比，Incoloy 825合金在壓縮應(yīng)變保時(shí)循環(huán)下的壽命較長，且合金壽命隨著應(yīng)變幅的增加而明顯降低.

3) 兩種應(yīng)變保時(shí)循環(huán)波形下，Incoloy 825合金的變形機(jī)制均為平面滑移，合金中的裂紋萌生與擴(kuò)展均為穿晶型，且在裂紋擴(kuò)展區(qū)出現(xiàn)清晰的疲勞條帶.