固溶碳對提高鋼疲勞特性的作用

      結(jié)構(gòu)材料有一定的使用壽命。在實際使用環(huán)境下的金屬結(jié)構(gòu)材料的損壞原因多是疲勞。疲勞斷裂發(fā)生在屈服強(qiáng)度以下。金屬結(jié)構(gòu)材料即使在沒有發(fā)生宏觀塑性變形的狀態(tài)下，在各種應(yīng)力反復(fù)作用下，金屬中的位錯組織不斷發(fā)生變化。其結(jié)果是，最薄弱的位錯組織發(fā)生裂紋、裂紋擴(kuò)展、直至材料斷裂。發(fā)生疲勞斷裂時的負(fù)荷循環(huán)次數(shù)叫做疲勞壽命。發(fā)生疲勞斷裂的極限應(yīng)力叫做疲勞極限。一般，將在一定應(yīng)力振幅作用下，對材料試樣反復(fù)施加107次疲勞負(fù)荷，試樣未斷裂的應(yīng)力振幅規(guī)定為疲勞極限。對于鋼鐵材料，疲勞裂紋擴(kuò)展時間大于疲勞裂紋萌生時間。因此，在研究鋼鐵材料的疲勞壽命時，疲勞裂紋的擴(kuò)展行為是重要的因素。此外，疲勞裂紋的擴(kuò)展行為也是疲勞極限的支配因子。以下對鋼鐵材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為的研究情況進(jìn)行簡要介紹。

        微小疲勞裂紋停止擴(kuò)展和應(yīng)變時效硬化
        疲勞裂紋擴(kuò)展行為決定著疲勞極限，是因為金屬材料中產(chǎn)生疲勞裂紋后，在疲勞負(fù)荷的反復(fù)作用下，當(dāng)疲勞裂紋不發(fā)生擴(kuò)展時，由于疲勞裂紋擴(kuò)展速度是零，所以即使材料中產(chǎn)生了裂紋也不發(fā)生斷裂，這個疲勞裂紋停止擴(kuò)展的極限應(yīng)力是疲勞極限。鋼鐵材料中即使存在疲勞裂紋，但只要應(yīng)力小于疲勞極限，鋼鐵材料就是健康的狀態(tài)。Fe-0.017%C（mass%，下同）鐵素體單相組織鋼疲勞極限時的復(fù)型圖像（疲勞負(fù)荷應(yīng)力比為-1）顯示，疲勞裂紋發(fā)生后，停止了擴(kuò)展。

       如圖1所示，微小疲勞裂紋停止擴(kuò)展的原因有三個類別。1）裂紋前端發(fā)生變形，產(chǎn)生鈍化（圖1（a））。2）裂紋閉合。裂紋發(fā)生變形，在裂紋前端形成塑性區(qū)，在塑性區(qū)材料沿裂紋開口方向發(fā)生塑性變形。由于受到周圍彈性變形區(qū)的拘束，塑性變形區(qū)發(fā)生彈性壓縮。卸載后，彈性壓縮場殘留下來，阻礙著閉合后裂紋在再次拉伸負(fù)荷下的張開（圖（b））。殘留彈性壓縮場的規(guī)模隨微小疲勞裂紋的擴(kuò)展而增大，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到某一長度時，擴(kuò)展完全停止。這種裂紋閉合現(xiàn)象稱為塑性誘發(fā)裂紋閉合效應(yīng)。3）疲勞裂紋前端周圍硬化，成為塑性變形的阻力。疲勞裂紋前端周圍越硬，對位錯運(yùn)動的阻力越大，對裂紋張開的阻力也就越大（圖1（c））。對這三個因素進(jìn)行控制是提高材料疲勞極限的關(guān)鍵。對于疲勞裂紋前端周圍硬化的第三個因素，應(yīng)變時效硬化是使疲勞裂紋前端周圍硬化的有效方法。鋼中的固溶碳對應(yīng)變時效硬化有重要影響。
        為緩解裂紋前端的大應(yīng)力集中，需要發(fā)生塑性應(yīng)變。由于裂紋前端存在靜水壓梯度，所以應(yīng)力誘發(fā)擴(kuò)散促進(jìn)碳向裂紋前端的擴(kuò)散和偏析。此外，在疲勞極限附近，疲勞裂紋擴(kuò)展速度很慢，所以碳的擴(kuò)散需要一定時間。這就是說，在裂紋前端具備了大塑性應(yīng)變、高碳濃度、長時效時間這三個條件。因此在裂紋前端產(chǎn)生應(yīng)變時效硬化，使裂紋擴(kuò)展停止。

        圖2是經(jīng)淬火處理、碳處于過飽和狀態(tài)的無間隙原子鋼（IF鋼）Fe-0.006%C和Fe-0.017%C的應(yīng)力振幅-疲勞壽命（S-N）曲線。從S-N曲線可知，固溶碳提高了鋼的疲勞極限。需關(guān)注的是，S-N曲線的107循環(huán)次數(shù)以后的曲線部分，是在107以上疲勞次數(shù)施加反復(fù)應(yīng)力的部分。在該部分疲勞斷裂的極限應(yīng)力升高。將在疲勞極限以下應(yīng)力作用下疲勞強(qiáng)度升高的現(xiàn)象稱為硬化效應(yīng)。疲勞強(qiáng)度升高的主要原因是加工硬化和應(yīng)變時效硬化。其中應(yīng)變時效硬化對鋼材的上述硬化效應(yīng)十分重要。在疲勞極限以下的低應(yīng)力疲勞試驗中，雖然沒有觀察到宏觀塑性變形，但在低強(qiáng)度組織部位和應(yīng)力集中的疲勞裂紋前端已局部導(dǎo)入了塑性應(yīng)變，并且有了發(fā)生應(yīng)變時效的足夠時間（107次循環(huán)）。因此，材料在疲勞試驗中被強(qiáng)化、疲勞極限升高。上述硬化效應(yīng)程度與鋼中碳含量有依存關(guān)系。圖2中，碳含量最大的Fe-0.017%C鋼產(chǎn)生顯著的硬化效應(yīng)。

        過飽和碳與微小疲勞裂紋擴(kuò)展停止極限
        本研究測定了晶內(nèi)微小裂紋擴(kuò)展停止極限的應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)。值得注意的是，0.002%C的IF鋼疲勞裂紋擴(kuò)展停止極限有顯著提高。這就是說，與傳統(tǒng)鋼相比，如果使鐵素體含有少量的過飽和固溶碳，由于應(yīng)變時效引起疲勞裂紋前端的動態(tài)硬度變化，可顯著提高微小疲勞裂紋擴(kuò)展停止極限。換言之，水淬使鐵素體中的固溶碳量增加，對于提高鋼的疲勞特性具有重要作用。

        4 i-s相互作用引起的應(yīng)變時效現(xiàn)象與疲勞裂紋擴(kuò)展停止極限
        鋼鐵材料的主要構(gòu)成相不僅有鐵素體，奧氏體也是重要的構(gòu)成相。但是對室溫奧氏體的疲勞問題，過去沒有考慮應(yīng)變時效的影響。原因是，碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度顯著小于在鐵素體中的擴(kuò)散速度。但實際上并非如此。近年來有研究報告報道了利用間隙原子（i）-置換原子（s）的相互作用，在奧氏體鋼中也出現(xiàn)了應(yīng)變時效硬化現(xiàn)象。具體而言，F(xiàn)e-Mn-C基的奧氏體鋼，由于Mn和C的相互引力作用，產(chǎn)生應(yīng)變時效硬化效應(yīng)。這種Fe-Mn-C基奧氏體鋼是因TWIP（孿晶誘發(fā)塑性）效應(yīng)而具有高延性、高強(qiáng)度的鋼。該鋼種的疲勞極限比不含碳的TWIP鋼的疲勞極限高。不含碳的TWIP鋼沒有應(yīng)變時效硬化現(xiàn)象，疲勞裂紋擴(kuò)展不能停止，而Fe-Mn-C基奧氏體TWIP鋼在疲勞極限時，疲勞裂紋擴(kuò)展停止。圖3是Fe-Mn-C基的TWIP鋼與無應(yīng)變時效的奧氏體鋼的疲勞壽命的比較。Fe-Mn-C基TWIP鋼的疲勞極限時的疲勞壽命長。原因是，在低應(yīng)力條件下，由于應(yīng)變時效硬化的作用，F(xiàn)e-Mn-C基奧氏體TWIP鋼中微小疲勞裂紋的擴(kuò)展速度較小。這就是說，通過產(chǎn)生應(yīng)變時效硬化的合金設(shè)計，可以提高奧氏體鋼的疲勞極限和接近疲勞極限時的疲勞壽命。過去，沒有進(jìn)行通過產(chǎn)生應(yīng)變時效硬化的合金設(shè)計，提高奧氏體鋼疲勞極限的嘗試，現(xiàn)在可以通過添加合金元素，使鋼產(chǎn)生應(yīng)變時效硬化來提高鋼的疲勞特性。