大型超低溫風洞、新一代重型運載火箭和大型清潔能源設備等重要裝備的關鍵構件在服役過程中經(jīng)常承受循環(huán)載荷，在服役過程中極易發(fā)生疲勞損傷失效，因此這就對其抗疲勞性能提出了更高的要求。目前，在對馬氏體鋼疲勞性能的研究過程中，TiN、MnS和AI2O3 等夾雜物是研究人員關注的熱點，經(jīng)大量研究表明，夾雜物的存在會導致鋼的疲勞性能降低。隨著科學技術的不斷發(fā)展，新的冶煉方式逐漸成熟并廣泛應用，夾雜物對疲勞性能的影響基本得到解決，因此，人們的研究方向逐漸由夾雜物對疲勞性能的影響轉向微觀組織對疲勞性能的影響。然而，奧氏體相作為馬氏體時效鋼中的關鍵相，其在含量、穩(wěn)定性等方面都會對疲勞性能產(chǎn)生顯著影響。因此，奧氏體含量及穩(wěn)定性對馬氏體時效鋼疲勞性能的影響成為備受關注的研究重點。
大量研究表明，奧氏體相的存在有利于提高材料的疲勞性能。Biswas等研究表明，奧氏體相提高疲勞性能的原因在于疲勞實驗過程中殘留奧氏體發(fā)生相變轉變?yōu)轳R氏體時，體積膨脹，產(chǎn)生壓應力，從而降低裂紋擴展速率或者導致裂紋尖端閉合，最終使材料表現(xiàn)出優(yōu)異的疲勞性能。Huo等研究了馬氏體相、奧氏體相和析出相等多相組織對疲勞性能的影響，結果表明，奧氏體相變轉變?yōu)轳R氏體相時，能夠吸收能量和閉合裂紋尖端，其帶來的有利影響遠大于相變產(chǎn)物脆性馬氏體相所帶來的不利影響。Hu等研究發(fā)現(xiàn)，TRIP鋼中的奧氏體相使其表現(xiàn)出更優(yōu)異的疲勞性能，他將這一現(xiàn)象歸因于奧氏體相提高了塑性應變累計能力，TRIP效應相變吸收能量從而抑制裂紋萌生和擴展。目前，關于奧氏體相對馬氏體時效鋼疲勞行為的影響機理分析還不夠完善。因此，本文旨在對不同奧氏體相含量的馬氏體時效鋼進行低周疲勞性能研究，分析奧氏體相對疲勞性能的作用機制，為馬氏體時效鋼疲勞性能的研究提供參考。
01實驗材料及方法
實驗采用電渣冶煉的馬氏體時效鋼,其化學成分如表1所示。經(jīng)鍛造后,熱軋成厚度為12mm的板材，在熱軋板材上取70mm×60mm×12mm的試樣進行熱處理。
圖1為實驗鋼的熱處理工藝示意圖。首先在750℃固溶處理1h，然后分別在560和600℃下時效2h，以獲得奧氏體含量分別為30%和50%的試樣。將熱處理板材加工成4mm×4mm×12mm的板狀疲勞試樣。疲勞實驗采用應變控制，三角波形，應變比R=0.1，頻率0.5Hz。用X射線衍射儀測定馬氏體(M)和奧氏體(A)衍射峰，采用步長0.02°，掃描范圍45°~115°步進式掃描，根據(jù)衍射峰積分強度計算奧氏體體積分數(shù)；用場發(fā)射掃描電鏡觀察沖擊斷口形貌；用電子背散射衍射(EBSD)對裂紋擴展路徑進行觀察。
02實驗結果與討論
2.1 循環(huán)應力響應曲線
圖2為不同奧氏體含量試樣的循環(huán)應力響應曲線。由應力響應曲線可以發(fā)現(xiàn)，兩種試樣在初始加載階段均表現(xiàn)出較高的應力，隨后經(jīng)歷快速衰減并進入穩(wěn)定階段，最終在一定循環(huán)周次后發(fā)生斷裂失效。對比兩條曲線，30%奧氏體含量的試樣在約6500次循環(huán)后失效，而50%奧氏體含量的試樣在約8500次循環(huán)后失效，表明較高的奧氏體含量有助于延長試樣的疲勞壽命。此外，在穩(wěn)定階段，兩種試樣的應力水平基本接近，沒有明顯的高低之分，說明增加奧氏體含量并未顯著提升或降低試樣的承載能力，而主要影響了其抗疲勞性能。
2.2 應力-應變滯回線
圖3為不同奧氏體含量的試樣的應力-應變滯回線。應力-應變滯回線面積表示材料在循環(huán)加載過程中每個循環(huán)周次所消耗的能量，這種不可逆的能量消耗使材料發(fā)生塑性應變，因此應力-應變滯回曲線的面積可以認為是在循環(huán)載荷作用下的塑性變形情況。由不同奧氏體含量試樣的疲勞滯回曲線分析發(fā)現(xiàn)，隨著奧氏體含量的增加，應力-應變滯回線的面積增大，表明試樣發(fā)生的塑性變形逐漸增大。而塑性變形使試樣耗散外加載荷能量，降低裂紋萌生的驅動力，從而延遲疲勞裂紋萌生。除此之外，當裂紋擴展至塑性變形區(qū)時，會降低裂紋尖端的應力集中，延遲裂紋擴展速度。塑性變形引發(fā)相變，奧氏體轉化為馬氏體，進一步吸收能量并阻礙裂紋擴展。
2.3 疲勞斷裂行為分析
圖4為不同奧氏體含量試樣的疲勞斷口形貌。斷口呈典型的疲勞斷裂特征，斷口由疲勞源、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)3部分組成。奧氏體含量較低時，疲勞源附近出現(xiàn)大量微裂紋，而奧氏體含量較高時，微裂紋數(shù)量較少，主要是由于塑性變形延遲裂紋萌生，阻礙裂紋擴展。二者的擴展區(qū)差異不大,均存在大量與疲勞裂紋擴展方向垂直的疲勞輝紋。奧氏體含量為50%的試樣，疲勞斷口的瞬斷區(qū)面積較小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，主要是由于試樣發(fā)生的塑性變形程度較大，斷裂前裂紋擴展所需耗散的能量更多，因此導致瞬斷區(qū)面積較小。除此之外，發(fā)現(xiàn)奧氏體含量較低時，瞬斷區(qū)含有極少量的韌窩，且韌窩較淺，呈現(xiàn)準解理斷裂特征，而奧氏體含量較多時，瞬斷區(qū)韌窩數(shù)量明顯增多，呈現(xiàn)韌性斷裂特征。
圖5為裂紋擴展路徑示意圖。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，奧氏體相大致呈條形均勻分布在基體中。在Ⅱ區(qū)域，當裂紋擴展遇到條狀分布的奧氏體區(qū)域時，裂紋擴展路徑發(fā)展偏轉，且裂紋最后終止于奧氏體區(qū)。由此分析得出，裂紋在擴展過程中，每當遇到條狀分布的奧氏體區(qū)域時，擴展路徑便會發(fā)生不同程度的偏轉，在偏轉過程中消耗了一部分能量，導致擴展速率減緩，由于大量的條狀奧氏體存在，直接阻礙了裂紋擴展,導致裂紋閉合。除此之外，研究發(fā)現(xiàn),裂紋尖端最終閉合于奧氏體區(qū)域,證明了條狀分布的奧氏體對裂紋起到了阻礙作用。同時，研究還可以發(fā)現(xiàn)，在裂紋擴展的Ⅰ區(qū)域內(nèi)，原本呈條形分布的奧氏體被“切斷”，在Ⅰ區(qū)域裂紋附近奧氏體含量明顯降低，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是由于裂紋擴展遇到亞穩(wěn)奧氏體時，導致奧氏體發(fā)生相變，轉變?yōu)轳R氏體相，在奧氏體相變過程中，吸收能量，降低裂紋擴展的動力，除此之外，由于奧氏體相變產(chǎn)生的馬氏體相體積膨脹，在基體中產(chǎn)生壓應力，也會對裂紋擴展產(chǎn)生阻礙作用。
為了進一步證明，在裂紋擴展區(qū)附近發(fā)生了馬氏體相變，由圖6所示的裂紋尖端示意圖可知，在裂紋附近僅存在極少量的奧氏體相，表明在裂紋擴展過程中，亞穩(wěn)奧氏體發(fā)生TRIP效應，轉變成馬氏體相。在裂紋尖端處，幾乎為全馬氏體組織，而相變產(chǎn)生的馬氏體導致體積膨脹，產(chǎn)生壓應力，最終導致裂紋尖端閉合，對裂紋擴展產(chǎn)生了阻礙作用。
通過對裂紋擴展路徑進行分析，可以得出由于奧氏體含量的增加，使得奧氏體含量為50%的試樣對裂紋擴展的阻礙作用增大，因此使其體現(xiàn)出更優(yōu)異的抗疲勞性能。
2.4 低周疲勞下的微觀結構
圖7為不同奧氏體含量試樣疲勞斷裂后的XRD圖譜。對疲勞實驗后的試樣進行XRD分析，發(fā)現(xiàn)試樣疲勞斷裂后，奧氏體含量為50%的試樣其奧氏體含量降低為17%，奧氏體含量為30%的試樣其奧氏體含量降低為9%，試樣的奧氏體含量出現(xiàn)了明顯地下降，且隨著塑性變形程度的增大，下降程度越明顯，表明塑性變形程度越大，越多的奧氏體發(fā)生相變，轉變?yōu)轳R氏體，從而對裂紋擴展起到一定的阻礙作用。
對圖8(a)與圖8(b)的馬氏體時效鋼疲勞實驗后的TEM形貌分析，發(fā)現(xiàn)疲勞實驗后的試樣呈現(xiàn)出明顯的微觀組織演變特征。從圖8(a)中可以觀察到，基體內(nèi)的奧氏體含量明顯減少，這一現(xiàn)象與疲勞加載過程中較大的塑性變形有關。亞穩(wěn)態(tài)奧氏體發(fā)生應變誘發(fā)相變，最終轉變?yōu)榫哂懈邚姸群陀捕鹊鸟R氏體相。這種相變機制顯著提高了試樣的抗裂紋擴展能力，因為馬氏體相本身具有較高的位錯密度和應變硬化能力，能夠有效阻礙裂紋的擴展。進一步結合圖8(b)的分析，可以發(fā)現(xiàn)大量位錯的形成與分布特征尤為顯著。位錯在疲勞加載過程中通過滑移、攀移等機制積累，并逐步在馬氏體與奧氏體的相界處聚集，形成清晰的位錯脈絡，位錯數(shù)量的增加使得試樣應力響應曲線中表現(xiàn)出循環(huán)硬化。
為了分析疲勞實驗前后試樣的奧氏體組織形態(tài)的變化，對疲勞實驗前后的微觀組織進行了表征。在疲勞實驗前(圖9a)，奧氏體組織以條狀結構均勻分布在基體中，其形態(tài)規(guī)整且連貫，表明實驗鋼的內(nèi)部組織具有較高的完整性和連續(xù)性。然而，在經(jīng)過疲勞實驗后(圖9b)，奧氏體條狀結構發(fā)生了顯著的變化，表現(xiàn)為被分割為斷續(xù)的細小短條。
結合EBSD分析結果，可以得出，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是由于在疲勞裂紋擴展中，處于亞穩(wěn)態(tài)的奧氏體吸收裂紋擴展的能量，發(fā)生TRIP效應轉變?yōu)轳R氏體組織，導致原本呈條狀分布的奧氏體被“切斷”，而距離裂紋較遠的奧氏體則未發(fā)生相變。正是由于亞穩(wěn)態(tài)奧氏體相變消耗了部分裂紋擴展過程中的能量，延緩了裂紋擴展/導致裂紋尖端閉合，對裂紋擴展起到了阻礙作用，從而提高了疲勞壽命。
03結論
1) 奧氏體含量增加，馬氏體時效鋼的疲勞壽命延長；奧氏體含量較低時試樣的疲勞斷口處存在有大量微裂紋，50%奧氏體含量試樣的疲勞斷口微裂紋數(shù)量明顯降低，主要是由于較大的塑性變形延遲裂紋萌生，同時奧氏體含量較高時，瞬斷區(qū)面積較小，主要是由于塑性變形程度大，裂紋擴展所需耗散的能量更多，導致瞬斷區(qū)面積??；
2) 奧氏體相對阻礙裂紋擴展起到了重要作用，條狀分布的奧氏體直接阻礙裂紋擴展，使裂紋發(fā)生偏轉并使其最終終止于奧氏體相區(qū)，亞穩(wěn)態(tài)奧氏體主要通過發(fā)生TRIP效應間接阻礙裂紋擴展；疲勞實驗后馬氏體時效鋼的奧氏體含量降低且呈斷續(xù)分布在基體中，這主要是由于裂紋擴展遇到奧氏體后，奧氏體發(fā)生相變誘導塑性(TRIP)效應轉變?yōu)轳R氏體組織，延遲了裂紋擴展速率，導致裂紋尖端閉合，阻礙了裂紋擴展，從而提高了疲勞壽命。
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