控制材料疲劳强度与抗拉强度关系的损伤机制探讨

In this project, coarse-grained (CG), fine grained (FG), ultra?ne-grained (UFG) and nanocrystalline (NC) austenitic stainless steels were processed by annealing,rolling and equal-channel angular pressing (ECAP)to carry out tensile and high cycle fatigue experiments. The grain size and microstructures evolution of the samples above before and after the fatigue tests will be observed and analyzed by transmission electron microscope (TEM) and electron backscattered diffraction (EBSD). Meanwhile, the sample surface and fracture surface morphologies after tensile and fatigue tests will be observed and analyzed by scanning electron microscope (SEM), laser focal microscope, stereo microscope or using MEX image software. On the basis of these experimental results, the influence of grain size on tensile and fatigue fracture mechanism, and fatigue strength of austenitic stainless steel will be investigated systemically. Especially, the quantitative relationship between fatigue strength and tensile strength and their intrinsic fatigue and fracture mechanisms will be proposed to provide experimental verification and theoretical direction for predicting fatigue strength and designing materials.

本项目以具有不同晶粒尺寸奥氏体不锈钢为研究对象，采用退火、轧制和等通道转角挤压等技术制备大块粗晶、细晶、超细晶和纳米晶奥氏体不锈钢样品，分别进行拉伸和高周疲劳实验，利用透射电镜和电子背散射衍射技术观察样品的晶粒尺寸及疲劳前后微观组织，采用扫描电镜、激光共聚焦显微镜、体视镜或MEX图像处理软件观察分析拉伸与疲劳试样表面形貌与断口特征，研究奥氏体不锈钢拉伸形变机制、疲劳开裂机制和疲劳强度的尺寸效应，探索疲劳强度与抗拉强度定量关系并揭示其内在疲劳断裂机制,为疲劳强度预测或材料优化设计提供实验证据与理论指导。

二十一世纪以来，重大装备不断向高速度、高效能、大功率和大容量等极端方向发展，重大事故时有发生，疲劳破坏危害性极大；大量超细晶或纳米晶高强材料成功研发出来，但其疲劳性能及损伤机制研究较少。因此，厘清同一种材料晶粒尺寸大范围变化时，疲劳损伤机制如何控制疲劳强度和抗拉强度关系，具有重要的科学和工程意义。.本项目以典型单相材料(TWIP/TRIP钢、316L不锈钢、高氮钢、Cu和CuAl合金)为研究对象，采用退火、轧制、等通道转角挤压(ECAP)和高压扭转(HPT)等技术制备大块粗晶、细晶、超细晶和纳米晶样品，分别进行拉伸和高周疲劳实验，观察样品的晶粒尺寸及测试前后微观组织演变，分析其试样表面形貌与断口特征，研究材料拉伸形变机制、疲劳开裂机制和疲劳强度的尺寸效应，综合分析不同材料的疲劳强度与抗拉强度定量关系，主要取得如下进展：.1. 通过添加合金成分和塑性加工方式的变化，材料可实现抗拉强度和均匀延伸率同步提高；如果塑性变形量过大会产生微孔(微裂纹)，强度升高而延伸率下降。这是由于合金成分和加工方式的变化导致拉伸中呈现不同的微观变形机制(滑移、孪生、相变或者微孔协同作用)导致加工硬化率不同、引起失稳应力和断裂应力的改变，进而导致拉伸性能和断裂方式的变化。.2. 研究不同晶粒尺寸单相材料的疲劳性能发现：微米材料可能获得更高疲劳强度；随着抗拉强度的提高，疲劳强度先快速后缓慢提高甚至下降。这取决于疲劳损伤机制的转变：随着变形量的增大，位错和孪晶界交互作用导致加工硬化缺失而引起强烈的应变局部化；如变形量过大，夹杂物或微孔将使应变局部化更强烈，致使疲劳强度下降。.3. 系统研究比较多种工程金属材料的疲劳强度与其他各种常用力学性能(例如与抗拉强度、硬度和屈服强度等)的关系发现：疲劳强度与抗拉强度的二次方程关系具有最好的适用性，总结还发现此关系也适于项目中相同成分、相同加工工艺制备的材料。.这些研究进展将为金属材料的疲劳强度预测或优化设计提供实验证据与理论指导。