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1华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组低、高周疲劳试验中双相不锈钢短裂纹扩展低、高周疲劳试验中双相不锈钢短裂纹扩展行为的研究行为的研究主讲：主讲：X X X20152015年年5 5月月7 7日日1目录目录一一二二三三四四华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组双相不锈钢的简介双相不锈钢的简介试验的目的、设备和过程试验的目的、设备和过程试验的结果与分析试验的结果与分析试验的结论试验的结论217 六月 2024一、双相不锈钢的简介一、双相不锈钢的简介华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组双相不锈钢的简介双相不锈钢的简介X双相不锈钢（双相不锈钢（Duplex Stainless SteelDuplex Stainless Steel，简称，简称DSSDSS），指），指铁素体铁素体与与奥氏体奥氏体各各约占约占50%50%，一般较少相的含量最少也需要达到，一般较少相的含量最少也需要达到30%30%的不锈钢。成分见表的不锈钢。成分见表1.1.X该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点。与铁素体相比，该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点。与铁素体相比，塑性、韧塑性、韧性更高性更高，无室温脆性无室温脆性，耐晶间腐蚀性能耐晶间腐蚀性能和和焊接性能焊接性能均显著提高。与奥氏均显著提高。与奥氏体不锈钢相比，体不锈钢相比，强度高强度高且且耐晶间腐蚀耐晶间腐蚀和和耐氯化物应力腐蚀耐氯化物应力腐蚀有明显提高。有明显提高。X它的主要特点是它的主要特点是屈服强度屈服强度可达可达400-550MPa400-550MPa，是普通不锈钢的，是普通不锈钢的2 2倍倍，因此，因此可以可以节约用材节约用材，降低降低设备制造设备制造成本成本 。表表1 1 本试验采用的双相不锈钢的质量成分本试验采用的双相不锈钢的质量成分317 六月 2024二、试验的目的、设备和过程二、试验的目的、设备和过程华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组试验的目的、设备和过程试验的目的、设备和过程试验目的：试验目的：研究脆化双相不锈钢在低、高周疲劳实验中的疲劳损伤演研究脆化双相不锈钢在低、高周疲劳实验中的疲劳损伤演变的特点变的特点。主要的试验设备：主要的试验设备：X疲劳拉伸试验机（型号不详）疲劳拉伸试验机（型号不详）X扫描电子显微镜（含电子背散射衍射系统，即扫描电子显微镜（含电子背散射衍射系统，即EBSDEBSD系统系统）X透射电子显微镜透射电子显微镜X高分辨率的高分辨率的CCDCCD相机相机X维氏硬度计维氏硬度计X长焦长焦QUESTARQUESTAR光学显微镜光学显微镜417 六月 2024二、试验的目的、设备和过程二、试验的目的、设备和过程华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组试验的目的、设备和过程试验的目的、设备和过程试验过程：试验过程：X采用采用德国标准德国标准DIN 1.4462DIN 1.4462，在低、高周疲劳实验中对双相不锈钢的短，在低、高周疲劳实验中对双相不锈钢的短疲劳裂纹行为进行显微研究。疲劳裂纹行为进行显微研究。X1 1、热处理、热处理：为了：为了提高提高钢的钢的晶粒尺寸晶粒尺寸，将钢材置于，将钢材置于12501250中中均质处理均质处理4 4小时；随后小时；随后缓慢冷却缓慢冷却到到10501050，最后，最后水淬水淬。该组织的奥氏体和铁素体比。该组织的奥氏体和铁素体比例均衡，两相平均晶粒尺寸大约为例均衡，两相平均晶粒尺寸大约为30 m30 m。最后，将材料在。最后，将材料在475475中中时效时效处理处理100100小时，以获得维氏硬度为小时，以获得维氏硬度为254 HV254 HV奥氏体和奥氏体和465 HV465 HV的铁素体，见的铁素体，见表表2 2。表表2 2 退火和时效处理后材料的拉伸性能退火和时效处理后材料的拉伸性能517 六月 2024二、试验的目的、设备和过程二、试验的目的、设备和过程华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组试验的目的、设备和过程试验的目的、设备和过程试验过程：试验过程：X2 2、电解抛光、电解抛光：因为：因为EBSDEBSD分析要求试样分析要求试样表面光滑无缺陷表面光滑无缺陷。电解质组成。电解质组成为：为：8%8%高氯酸、高氯酸、70%70%乙醇、乙醇、10%10%二甘醇单丁醚和二甘醇单丁醚和12%12%的蒸馏水。试样如的蒸馏水。试样如图图1 1所示：所示：图图1 1 试样的尺寸示意图试样的尺寸示意图图图1 a1 a 圆柱扁切口的试样进行圆柱扁切口的试样进行低周疲劳低周疲劳(LCF)(LCF)试验；试验；图图1 b1 b 试样被用于高周疲劳试样被用于高周疲劳(HCF)(HCF)试验。试验。617 六月 2024二、试验的目的、设备和过程二、试验的目的、设备和过程华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组试验的目的、设备和过程试验的目的、设备和过程试验过程：试验过程：X3 3、疲劳实验疲劳实验X3.13.1 低周疲劳低周疲劳：使用一个高分辨率：使用一个高分辨率CCDCCD相机系统地观测其试样的平切口相机系统地观测其试样的平切口部分，用图像记录和储存微裂纹的起源、生长和扩展。部分，用图像记录和储存微裂纹的起源、生长和扩展。X3.2 3.2 高周疲劳高周疲劳：将一个长焦：将一个长焦QUESTARQUESTAR光学显微镜耦合到数码相机中，光学显微镜耦合到数码相机中，对试样的浅凹口处进行观察。对试样的浅凹口处进行观察。X3.3 3.3 试验参数试验参数：=400 MPa=400 MPa，应力比，应力比R=-1R=-1和频率和频率f=10Hzf=10Hz。X3.4 3.4 观察记录观察记录：定期停止试验：定期停止试验(at 80%of(at 80%of maxmax)，记录数据，并以饱和压力，记录数据，并以饱和压力下降下降10%10%作为断裂的判据。作为断裂的判据。717 六月 2024二、试验的目的、设备和过程二、试验的目的、设备和过程华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组试验的目的、设备和过程试验的目的、设备和过程试验过程：试验过程：X4 4、切片观察切片观察X4.14.1 制备薄片制备薄片：薄片取自薄片取自平行平行于试样于试样轴向轴向的的不同深度不同深度的切片的切片。X4.2 4.2 SEMSEM观察观察：EBSDEBSD技术技术（电子背散射衍射技术）被用来确定奥氏体（电子背散射衍射技术）被用来确定奥氏体和铁素体相的分布和其晶体取向。和铁素体相的分布和其晶体取向。X4.3 4.3 TEMTEM观察观察：在：在100kV100kV下，采用明场像研究内部的位错结构；其衍射下，采用明场像研究内部的位错结构；其衍射花样可被用来确定晶粒取向和主要晶体方向。花样可被用来确定晶粒取向和主要晶体方向。817 六月 2024三、试验的结果与分析三、试验的结果与分析华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组试验的结果与分析试验的结果与分析低周疲劳：低周疲劳：X图图2 2显示了低周疲劳断裂后切口区域的表面损伤。显示了低周疲劳断裂后切口区域的表面损伤。图图2 2 低周疲劳表面扫描电镜显微图低周疲劳表面扫描电镜显微图917 六月 2024三、试验的结果与分析三、试验的结果与分析华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组试验的结果与分析试验的结果与分析低周疲劳：低周疲劳：X由由EBDSEBDS获得的晶粒结构图和获得的晶粒结构图和CCDCCD相机记录的疲劳损伤断裂图像相互叠相机记录的疲劳损伤断裂图像相互叠加加,可以分析与表征微裂纹的萌生和扩展。此外可以分析与表征微裂纹的萌生和扩展。此外,活跃的滑移面和相应的活跃的滑移面和相应的施密特因子可以被标识。如图施密特因子可以被标识。如图3 3所示。所示。X微裂纹起源于微裂纹起源于铁素体铁素体的的施密特因子（施密特因子（SFSF）最高）最高的滑移面或的滑移面或/晶界晶界。接。接着，裂纹沿着相邻晶粒（铁素体或奥氏体）施密特因子最高的滑移面进着，裂纹沿着相邻晶粒（铁素体或奥氏体）施密特因子最高的滑移面进行扩展。行扩展。1017 六月 2024三、试验的结果与分析三、试验的结果与分析华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组试验的结果与分析试验的结果与分析低周疲劳：低周疲劳：X微裂纹起源于微裂纹起源于/晶界晶界(画圆圈画圆圈部分、晶粒部分、晶粒2-3)2-3)。X首先，在上面一部分，裂纹在首先，在上面一部分，裂纹在-相界面相界面(晶粒晶粒1-2)1-2)被约束，而被约束，而这个裂纹将扩展到较低的晶粒这个裂纹将扩展到较低的晶粒 (晶粒晶粒 4)4)，直到第二个，直到第二个-相界处相界处(晶粒晶粒4-5)4-5)。X经过几个循环周期后，在上面经过几个循环周期后，在上面的奥氏体晶粒（晶粒的奥氏体晶粒（晶粒1 1）和下面）和下面的奥氏体晶粒（晶粒的奥氏体晶粒（晶粒5 5）的两条）的两条裂纹依旧分别被拘束。裂纹依旧分别被拘束。图图3 3 低周疲劳低周疲劳EBSDEBSD和和CCDCCD相机叠加的图像相机叠加的图像1117 六月 2024三、试验的结果与分析三、试验的结果与分析华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组试验的结果与分析试验的结果与分析低周疲劳：低周疲劳：X图图3的插图表示了的插图表示了微裂纹增长微裂纹增长和和循环周次循环周次的关系。的关系。微裂纹在铁素体中的微裂纹在铁素体中的传播速度较快，经过相界的时候会减速或者保持原速，随后再次加速扩传播速度较快，经过相界的时候会减速或者保持原速，随后再次加速扩展，裂纹进入奥氏体晶粒后，速度会放缓（由于展，裂纹进入奥氏体晶粒后，速度会放缓（由于 相和相和 相相塑性不同塑性不同的缘的缘故）。值得一提的是，在低周疲劳实验中，微裂纹随着施密特因子最高故）。值得一提的是，在低周疲劳实验中，微裂纹随着施密特因子最高的滑移面进行扩展。的滑移面进行扩展。1217 六月 2024三、试验的结果与分析三、试验的结果与分析华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组试验的结果与分析试验的结果与分析低周疲劳：低周疲劳：X图图4a表示了铁素体中位错结构的分表示了铁素体中位错结构的分布。布。X当裂纹从当裂纹从 相到达相界时，如图相到达相界时，如图5a5a圆圆圈所示，一个显微带圈所示，一个显微带脱离脱离了原来的了原来的方方向向，继续沿着相邻晶粒，继续沿着相邻晶粒 的其它滑移的其它滑移面进行扩展。面进行扩展。X图图4a 4a 铁素体中位错结构的分布铁素体中位错结构的分布1317 六月 2024三、试验的结果与分析三、试验的结果与分析华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组试验的结果与分析试验的结果与分析低周疲劳：低周疲劳：X图图4b表示了显微带穿越表示了显微带穿越-相边界。相边界。X一条显微带穿越了一条显微带穿越了-相界，偏离了相界，偏离了原来方向的几个维度，分别在铁素体原来方向的几个维度，分别在铁素体中以中以112112滑移面和奥氏体中以滑移面和奥氏体中以111111滑移面进行扩展。滑移面进行扩展。X图图4b 4b 显微带穿越相边界显微带穿越相边界1417 六月 2024三、试验的结果与分析三、试验的结果与分析华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组试验的结果与分析试验的结果与分析低周疲劳：低周疲劳：X图图4c表示了位错带被拘束在了表示了位错带被拘束在了-相相边界。边界。X图中可看出图中可看出 相中的大量位错带并没相中的大量位错带并没有穿过有穿过-相界，传递到相界，传递到 相，而是被相，而是被拘束在了拘束在了-相界，不得进一步扩展。相界，不得进一步扩展。X因为因为 相的塑性较好，在相的塑性较好，在-相界产生相界产生位错塞积。位错塞积。X图图4c 4c 位错带被拘束在相边界位错带被拘束在相边界1517 六月 2024三、试验的结果与分析三、试验的结果与分析华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组试验的结果与分析试验的结果与分析高周疲劳：高周疲劳：X在高周疲劳实验中在高周疲劳实验中,奥氏体相出现了奥氏体相出现了第一个滑移标记第一个滑移标记，铁素体晶粒则较，铁素体晶粒则较不明显。不明显。X随着循环周次的增加，奥氏体相的随着循环周次的增加，奥氏体相的滑移线增加滑移线增加，一些滑移线扩展到了，一些滑移线扩展到了相邻的铁素体晶粒，或者被拘束在了晶粒的边界。相邻的铁素体晶粒，或者被拘束在了晶粒的边界。X在铁素体相中的滑移线扩展到了相邻的铁素体晶粒或者被拘束在在铁素体相中的滑移线扩展到了相邻的铁素体晶粒或者被拘束在-的的边界。边界。X关于微裂纹行为关于微裂纹行为,观察到了三种不同的情况观察到了三种不同的情况:(1):(1)起源于起源于-边界边界;(2);(2)起源于起源于-边界边界，并在，并在 晶粒中沿着一条滑移线扩展，直到遇到下一个障碍；晶粒中沿着一条滑移线扩展，直到遇到下一个障碍；(3)(3)在某些情况下（较少）在某些情况下（较少）,裂纹沿裂纹沿 晶粒晶粒的单一滑移面的单一滑移面扩展到扩展到相邻的相邻的奥氏体奥氏体晶粒晶粒。1617 六月 2024三、试验的结果与分析三、试验的结果与分析华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组试验的结果与分析试验的结果与分析高周疲劳：高周疲劳：X图图5a5a显示了高周疲劳断裂后切口区域的表面损伤。显示了高周疲劳断裂后切口区域的表面损伤。图图5a 5a 高周疲劳表面扫描电镜显微图高周疲劳表面扫描电镜显微图1717 六月 2024三、试验的结果与分析三、试验的结果与分析华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组试验的结果与分析试验的结果与分析高周疲劳：高周疲劳：X图图5b5b表示在表示在-相界的单一裂纹核沿着相界的单一裂纹核沿着SF=0.43SF=0.43的的101101滑移面扩展到下滑移面扩展到下一个一个-相界。在这里经过多个循环周期后，裂纹的扩展依旧是被拘束的，相界。在这里经过多个循环周期后，裂纹的扩展依旧是被拘束的，见图见图5c5c。图图5b EBSD5b EBSD晶粒图和相机拍摄的损伤图的叠加晶粒图和相机拍摄的损伤图的叠加 图图5c 5c 高周疲劳周次和裂纹扩展的关系图高周疲劳周次和裂纹扩展的关系图1817 六月 2024三、试验的结果与分析三、试验的结果与分析华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组试验的结果与分析试验的结果与分析高周疲劳：高周疲劳：X图图6a表示由于位错塞积导致高应力表示由于位错塞积导致高应力集中的区域。集中的区域。X高周疲劳损伤一般从较软的奥氏体高周疲劳损伤一般从较软的奥氏体相中产生，其次是从奥氏体滑移带相相中产生，其次是从奥氏体滑移带相交的相界产生。交的相界产生。X高周疲劳中，临近高周疲劳中，临近-相界的相界的 相将相将会表现为会表现为微屈服微屈服，而，而 相由于低密度相由于低密度的的位错塞积位错塞积将导致将导致应力集中应力集中产生。此产生。此处将为处将为微裂纹微裂纹的产生提供条件。的产生提供条件。X注：一般注：一般 相塑性较差；相塑性较差；相塑性较相塑性较好。好。X图图6a 6a 位错塞积导致高应力集中的区域位错塞积导致高应力集中的区域1917 六月 2024三、试验的结果与分析三、试验的结果与分析华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组试验的结果与分析试验的结果与分析高周疲劳：高周疲劳：X图图6b 表示高应力集中区域形成后，表示高应力集中区域形成后，相邻铁素体相的滑移系变得活跃。相邻铁素体相的滑移系变得活跃。X-相界产生微裂纹后，将沿着相界产生微裂纹后，将沿着 相相最容易扩展的滑移面进行传播，到达最容易扩展的滑移面进行传播，到达下一个下一个-相界后被约束。相界后被约束。X图图6b 6b 相邻铁素体相活跃的滑移系相邻铁素体相活跃的滑移系2017 六月 2024四、试验的结论四、试验的结论华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组试验的结论试验的结论低周疲劳：低周疲劳：X 1 1、微裂纹、微裂纹起源于铁素体起源于铁素体的施密特因子最高的滑移面或的施密特因子最高的滑移面或/晶界；接着，晶界；接着，裂纹沿着相邻晶粒（铁素体或奥氏体）施密特因子最高的滑移面进行扩裂纹沿着相邻晶粒（铁素体或奥氏体）施密特因子最高的滑移面进行扩展。展。X 2 2、显微带平行于最有利于滑动的平面进行扩展，当到达相界时，显、显微带平行于最有利于滑动的平面进行扩展，当到达相界时，显微带将改变方向跨越几个维度穿越边界，在相邻晶粒的其它滑移面继续微带将改变方向跨越几个维度穿越边界，在相邻晶粒的其它滑移面继续扩展。扩展。X 3 3、显微带似乎是、显微带似乎是最有利于最有利于微裂纹萌生的位错结构。微裂纹萌生的位错结构。2117 六月 2024四、试验的结论四、试验的结论华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组试验的结论试验的结论高周疲劳：高周疲劳：X 1 1、SEMSEM和和TEMTEM结果分析表明：高周疲劳中，结果分析表明：高周疲劳中，奥氏体是比较活跃的相奥氏体是比较活跃的相，铁素体的微屈服现象只能通过铁素体的微屈服现象只能通过TEMTEM观察得到。观察得到。X2 2、裂纹萌生于、裂纹萌生于奥氏体奥氏体或者奥氏体交叉滑移带相交的或者奥氏体交叉滑移带相交的-相界相界。而在铁。而在铁氧体中，微裂纹沿着施密特因子最高的单一滑移面进行扩展；对于奥氏氧体中，微裂纹沿着施密特因子最高的单一滑移面进行扩展；对于奥氏体而言，裂纹的扩展起初按照体而言，裂纹的扩展起初按照双滑移机制双滑移机制进行，后来转变为在施密特因进行，后来转变为在施密特因子最高的单一滑移面进行。子最高的单一滑移面进行。在以上两种疲劳机制中在以上两种疲劳机制中,-相界是阻碍裂纹扩展的最大屏障。相界是阻碍裂纹扩展的最大屏障。2217 六月 2024参考文献参考文献华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组参考文献参考文献2317 六月 202424华华 东东 交交 通通 大大 学学 机机 电电 工工 程程 学学 院院 材材 料料 加加 工工 课课 题题 组组主讲：张枝森主讲：张枝森20152015年年5 5月月7 7日日24