Acta Mater.：通過調節晶粒尺寸及其分布來提高TWIP鋼的低周疲勞性能

【引言】

?疲勞性能，是材料在循環載荷服役條件下的一項非常重要的性能，其可分為低周疲勞（LCF）和高周疲勞（HCF）。目前對于提升抗高周疲勞（HCF）性能的方法有很多，如晶粒細化，預應變及表面噴丸處理等，與之相比，低周疲勞（LCF）的研究及提升方法則相對較少，而其在重要的汽車工業則廣泛涉及到，既有的抗高周疲勞（HCF）措施對抗低周疲勞（LCF）幾乎沒有提升作用甚至有害。本文將從兩個方面：（1）通過傳統冷軋和再結晶退火在不引入殘余應力的情況下實現晶粒細化；（2）通過原始加工技術實現晶粒尺寸呈線性梯度，來實現對擁有優異力學性能的Fe-Mn-C孿晶誘導塑型（TWIP）鋼的抗低周疲勞性能的提升，并揭示其內在的作用機理。

【成果簡介】

近日，由來中科院金屬所的張哲峰教授等為通訊作者在Acta Materialia上在線發表了一篇名為 “ Improvement of low-cycle fatigue resistance in TWIP steel by regulating the grain sizeand distribution ” 的文章。文中，研究人員引入了兩種提升Fe-Mn-C孿晶誘導塑性（TWIP）鋼低周疲勞（LCF）性能的方法，一種是通過傳統冷軋和再結晶退火在不引入殘余應力的情況下實現晶粒細化（FG樣品）; 另一種是通過原始加工技術實現晶粒尺寸呈線性梯度（GS樣品）。研究表明GS樣品表現出比未精煉的粗晶（CG）樣品和FG樣品更高的循環硬化能力和循環飽和應力。基于疲勞壽命（Nf）與總應變振幅（△ε/ 2）的相關性，GS在高應變幅度下呈現出最長壽命，而FG在低應變幅度下呈現最長壽命。從應力方面（△σ/ 2-N_f曲線）來看，即Basquin曲線，GS表現出比FG和CG都更好的LCF性能。GS優異的疲勞特性源于大量幾何型位錯（GND）和循環加載期間硬核和軟殼結構的形成。本文揭示的晶粒尺寸和分布對疲勞損傷機理的重要影響可能為未來從優化微結構設計來提高材料耐疲勞性能方面提供新的重要指導意義。

【圖文導讀】

圖1. 典型預處理對疲勞性能的影響

（a）幾種應力控制措施成功提升抗高周疲勞（HCF）性能;

（b）幾種應變控制未能成功提升抗低周疲勞（LCF）性能。

圖2. 扭轉和退火處理原理圖

實驗中扭轉和退火處理原理圖：第一步，對試樣進行扭轉處理；第二步，對經扭轉試樣進行退貨處理。

圖3. 各Fe-18Mn-0.6C TWIP鋼試樣退火試樣的微觀結構

經退火處理后的Fe-18Mn-0.6C TWIP鋼的CG，FG和GS試樣的微觀結構圖。

（a）CG試樣的ECC圖； ? ? ? ? ? ?（b）FG試樣的ECC圖；

（c）GS，r = 0R的EBSD圖; ? ? （d）GS，r = 0.5R的EBSD圖;

（e）GS，r = 1R的EBSD圖。 ? （f）GS試樣中晶粒尺寸隨試樣中心距離變化的函數曲線。

圖4. 各試樣的低周疲勞壽命（LCF）與總應變幅度和飽和應力幅度關系

CG，FG和GS的低周疲勞（LCF）性質。

（a）總應變幅度與疲勞壽命之間曲線關系;

（b）疲勞壽命與飽和應力幅度之間曲線關系。

圖5. 各試樣循環應力響應（CSR）和循環應力-應變（CSS）曲線

各試樣的循環應力響應（CSR）曲線：（a）CG，（b）FG；（c）GS。（d）CG，FG和GS三試樣的循環應力 - 應變（CSS）曲線，

圖6. 各試樣的循環硬化/軟化行為

三試樣的循環硬化/軟化行為：

（a）各試樣的循環應力響應（CSR）曲線的分區;

（b）階段I發生循環硬化，硬化值隨總應變幅度之間關系曲線;

（C）階段II發生循環軟化，軟化值隨總應變幅度之間關系曲線;

（d）階段III發生第二次循環硬化，硬化值隨總應變幅度之間關系曲線。

圖7. 表面損傷特征的SEM

不同應變幅值下CG和GS試樣表面損傷特征的SEM圖像。

（a）CG，△e/2 =0.3％; （b）GS，△e/2 = 0.3％; （C）CG，△e/2 = 1.0％; （d）GS，△e/2 = 1.0％。

圖8. 滑移帶CLSM圖像及尺寸分布

當△e/2 = 0.6％時，試樣表面受侵入和擠壓后形成的CLSM圖：（a）CG；（b）GS；（c）CG和GS試樣表面侵入和擠壓后滑移帶尺寸分布情況。

圖9. 各應變幅值下GS微觀損傷特征ECC圖

各應變幅值下，GS在不同位置的微損傷特征的ECC圖。（a）r = 0R，△ε/ 2 = 0.3％; （b）r = 1R，△ε/ 2 = 0.3％; （C）r = 0R，△ε/ 2 = 1.0％；（d）r = 1R，△ε/ 2 =1.0％。

圖10. △ε/ 2 = 0.3％循環加載后GS試樣位錯型結構TEM

經△ε/ 2 = 0.3％循環加載后，GS樣品中不同位置的位錯型結構TEM圖： （a-c）r = 0R; （d-f）r = 1R。

圖11. △ε/ 2 = 1.0％循環加載后GS樣品中典型亞結構TEM

經△ε/ 2 = 1.0％循環加載后GS樣品中不同位置的典型亞結構的TEM圖： （a-c）r = 0R; （d-f）r = 1R。

圖12. 應力響應的影響機理示意圖

C-Mn 鍵短程有序（SRO）對兩種應力響應的影響機理示意圖：（a）單向變形；（b）循環變形。

圖13. 磁滯回線分割示意圖及循環硬化軟化第三階段內應力值

（a）通過KWL方法對磁滯回線分割的示意圖；（b）CG，FG和GS三試樣在循環硬化軟化第三階段下確定的內應力值。

圖14. 塑性滑移示意圖

該圖顯示，沿x軸方向按一定梯度滑移引起了密度為ρ_G幾何位錯（GND）。其中，假定塑性滑移發生在的單滑移系統上，滑移方向和滑移平面間的法線在變形開始時分別與加載方向成45度的角度。

圖15. GS試樣中形成的應變梯度和應力梯度情況

在GS試樣中形成的應變梯度和應力梯度。

（a）在GS樣品拉伸前和和拉伸后后不同粒徑處的硬度值。

（b）在r = 0.5R處的晶界附近典型的損傷微觀結構TEM圖。（c）變形GS試樣中存在的應力梯度示意圖。

圖16. CG和FG試樣中的裂紋擴展情況

CG和FG試樣中的裂紋擴展情況。圖（a）和圖（b）為CG試樣應變幅度值在△ε/ 2 = 0.4％時，循環加載后的斷面SEM圖。圖（c）為紋擴展速度與斷面上裂紋尺寸之間的關系曲線。Hatanaka和Yamada也采用了同樣的評價方法。

圖17. 有限元模擬分析

有限元模擬分析的過程和結果：

（a）假設材料為由具有一定硬度的圓柱形樣品硬質核心和軟殼組成。考慮到樣品的實際負載條件，圓柱形試樣頂端和底端與適配件相連。

（b）為硬質核心和軟殼對應的應力-應變曲線。其中，芯和殼都使用相同的彈性模量E = 160GPa，加工硬化率Q = 2800MPa。

（c-e）為當圓柱形樣品拉伸至2％總應變后，位移，塑性應變和沿z軸方向的應力輪廓情況。

（f-h）為當圓柱形樣品壓縮2％應變下的相應輪廓。其中圖（c-h）中的白線是核心和外殼之間的邊界。

圖18. GS試樣在循環載荷下的獨特變形機理及其表面應力松弛的優勢

該圖顯示的是GS樣品在循環載荷下的獨特變形機理及其在表面應力松弛的優勢，從中可看出，在循環變形的拉伸過程中，由于較低的屈服強度，軟殼比硬芯更容易發生塑性變形。 當軟殼層達到屈服后，外殼變得更容易，或者在其他區域中比在圖17a所示負載條件下的中的硬芯更大產生變形。

【小結】

本文介紹了兩種提高Fe-Mn-C孿晶誘導塑性（TWIP）鋼低周疲勞（LCF）性能的方法，一種是通過傳統冷軋和再結晶退火在不引入殘余應力的情況下實現晶粒細化（FG樣品），另一種是通過原始扭轉和退火（T＆A）處理實現晶粒尺寸呈線性梯度（GS樣品）。基于相關實驗和模擬分析，得出如下結論：
（1）與CG試樣相比，低周疲勞（LCF）性能的提升不僅來自應變方面（△ε/ 2-N_f曲線），也來自應力方面（△s/ 2-N_f曲線），其中，FG試樣通過適當降低粒徑，而GS試樣通過粒徑合理分布來提升抗低周疲勞（LCF）性能。
（2）在初始循環硬化和隨后的循環軟化后，三種試樣通常都出現二次循環硬化現象，盡管硬化和軟化量都隨晶粒尺寸和分布而變化。另外，GS試樣的循環飽和應力高于CG和FG的循環飽和應力，這可能與GS中的GND的額外硬化緊密相關。
（3）低周疲勞（LCF）性能隨晶粒尺寸線性梯度變化（晶粒外細和內粗）的優點主要包括幾方面：首先，表層中的細晶粒改善了變形均勻性，抑制了裂紋沿表面邊界的萌生；其次，除SSD外，GS中大量存在的GND進一步增強了循環應力，從而提升了抗疲勞性能；第三，GS試樣在循環加載過程中形成的硬核和軟殼結構可有助于表面應力松弛，從而延長裂紋萌生時間。這些都可以為未來從優化微結構設計來提高材料耐疲勞性能方面提供新的重要指導意義。

文獻鏈接：Improvement of low-cycle fatigue resistance in TWIP steel by regulating the grain sizeand distribution（Acta Mater.: 2017，DOI: org/10.1016/j.actamat.2017.05.004）

本文由材料人編輯部金屬材料學術組彭黃濤供稿，材料牛編輯整理。

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