中科院金屬所Mater. Sci. Eng., A ：微觀組織不均勻性誘發形成疲勞強度穩定平臺

【引言】

疲勞性能是結構材料長期安全服役的關鍵指標。疲勞破壞具體表現為疲勞裂紋形核與擴展，它通常展現出高度局部化的特征。微觀組織不均勻的出現將會導致疲勞裂紋在某些區域優先形核，如夾雜物界面、晶界、粗大晶粒等。因此，對于結構材料來說，疲勞破壞局部化是一種非常有害但是又不可避免的現象。盡管疲勞破壞局部化幾乎不可能被完全消除，但是是否可以對其實現可測量與可控制呢？本文將嘗試建立微觀組織均勻性與疲勞性能二者之間的關系，以期更好地理解疲勞破壞局部化現象，同時為抗疲勞設計與疲勞壽命預測提供可能性。

【成果簡介】

近日，中科院金屬所張哲峰研究員(通訊作者)與田艷中副研究員(通訊作者)利用冷軋與退火的Cu-5at%Al合金研究了微觀組織不均勻性對疲勞性能的影響，研究結果發現在擁有類似最大晶粒尺寸的部分再結晶組織區域，出了恒定疲勞強度的穩定平臺。疲勞強度穩定平臺的出現意味著在某些特定情況下，疲勞強度既不隨抗拉強度變化，也不隨平均晶粒尺寸變化。該成果以“Fatigue strength plateau induced by microstructure inhomogeneity”為題發表在期刊Materials Science and Engineering A上。

【圖文導讀】

圖1：Cu-5at%Al合金的EBSD圖(黑色、綠色及紅色分別代表大角度晶界、小角度晶界及孿晶界，CR代表軋制態，CR+A300代表冷軋后300℃退火)

(a) 冷軋態；部分再結晶；

(b) 冷軋后300℃退火；

(c) 冷軋后325℃退火；

(d) 冷軋后350℃退火；完全再結晶；

(e) 冷軋后425℃退火；

(f) 冷軋后500℃退火。

圖2：Cu-5at%Al合金晶粒尺寸分布

(a) 冷軋態微觀組織的晶粒尺寸分布；

(b) 冷軋后425℃退火微觀組織的晶粒尺寸分布(P(d＞1μm)表示晶粒尺寸大于1μm所占的體積分數)；

(c) 6種類型試樣的平均晶粒尺寸與晶粒尺寸大于1μm所占比例(CR表示冷軋態；PR表示部分再結晶；FR表示完全再結晶)。

圖3：Cu-5at%Al合金拉伸性能與疲勞性能

(a) 工程應力應變曲線；

(b) 應力幅值與疲勞壽命之間的關系曲線(S-N曲線)。

圖4：疲勞性能與拉伸性能之間的關系曲線

(a) 疲勞強度與抗拉強度之間的關系曲線；

(b) 疲勞比R與抗拉強度之間的關系曲線；

(c) 疲勞強度系數與抗拉強度之間的關系曲線；

(d) 疲勞強度指數與抗拉強度之間的關系曲線。

圖5：疲勞破壞局部化與疲勞強度穩定平臺的形成

(a) 不同再結晶狀態試樣的疲勞開裂行為；

(b) 不同應力幅值條件下完全再結晶試樣(冷軋后500℃退火)疲勞開裂行為；

(c) 疲勞強度(分別為105,106,107)與抗拉強度之間的關系曲線圖。

圖6：圖解說明疲勞破壞局部化誘發疲勞強度穩定平臺的形成機理

穩定平臺的疲勞強度值近似再結晶晶粒的屈服強度值。

【小結】

本文制備了冷軋、部分再結晶及完全再結晶三組Cu-5at%Al試樣作為研究對象，發現了疲勞強度與抗拉強度之間對應的三階段關系，其中對于部分再結晶試樣，盡管抗拉強度劇烈變化但是疲勞強度幾乎保持不變。這種疲勞強度穩定平臺主要是由于在再結晶區域出現疲勞破壞局部化造成的。而且穩定平臺的疲勞強度值近似再結晶晶粒的屈服強度值。本文的研究揭示了微觀組織不均勻性對疲勞強度的顯著影響。

文獻鏈接：Fatigue Strength Plateau Induced by Microstructure Inhomogeneity?(Mater. Sci. Eng., A, July 14, 2017, DOI：10. 1016/j. msea. 2017. 07. 026)

本文由材料人編輯部許元濤編輯，陳炳旭審核，點我加入材料人編輯部。

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