共析轨钢的循环应变行为.pdf_大学文库

第 13卷第 3 期 19 9 1年 5 月北京科技大学学报 J o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e i j i n g V o l . 1 3 N o 。 3 M a y i , , i , 一 - - ~ 一- 一 ~ 一- 一 ` - 一一一 ~ - 一一- ~ ~ -一一 - -- 一- 一~ 一- 共析轨钢的循环应变行为李怀明 ’ 杨让 , 摘要 : 用增量步进试验方法 , 研究了珠光体和回火素氏体共析轨钢的循环应力一应变行为。结果表明 , 在试验选定应变范围内 , 回火索氏体发生循环软化 , 珠光体表现为软、硬化同时发生。在同类型组织中 , 低强材料的循环应变性能优于高强材料 , 而珠光体优于回火素民体。定义了珠光体组织的临界应变幅 , 并对临界应变幅随性能的变化规律进行了研究。同时还探讨了循环应力一应变参数与显微组织参数及应变步进增量的关系。关键词 : 共析轨钢 , 循环应力一应变 , 循环软、硬化 , 循环应变硬化指数 Cy e l i e S t r a i n B e h a v i o r i n A E u t e e t o i d R a i l S t e e l L I H u a i 优 i ” 夕 . aY n g R a n g . A B S T R A C T : C y e l i e s t r e s s 一 s t r a i n b e h a v i o r i n p e a r l i t i e a n d t e m p e r e d s o r b i t i e e u t e e t o i d r a i l s t e e l s h a s b e e n s t u d i e d b y I n e r e 现 e n t a l S t e p T e s t t e e h n i g u e . I t 1 5 s h o w n t h a t t e m p e r e d s o r b i t e e x h i b i t s o n l y e y e li e s o f t e n i n g a n d s i m u l t i n e o u s e y e li e s o f t e n i n g a n d il a r d e n i n g a r e o b s e r v e d i n p e a r l i t e t h r o “ g h o u t t五e e n t i r e r a n g e o f s t r a i n a m p li t u d e s i n v e s t i g a t e d · C v e li e s t r e s s 一 s t r a i n P r o p e r t i e s i n e o a s e s t r u e t u r e a n d P e a r l i t e a r e b e t t e r t h a n t h o s e i n f i n e s t r u e t u r e a n d t e m p e r e d s o r b i t e r e s p e e t i v o l y . C r i t i e a l s t r a i n a m p l i t u d e o f p e a r l i t e h a s b e e n d e f i n e d . T h e e f f e e t s o f p r o p e r t i e s o n e r i t i e a l s t r a i n a m p li t u d e , a n d t h e r e l a t i o n s五i p b e t w e e n m i e r o s t r u e t u r e s , i n e r e nt e n t a l s t e p s t r a i n s a n d e y e li e s t r e s s 一 s t r a i n p a r a - m e t e r s h a v e b e e 住 i n v e s t i g a t e d . KE Y W O RD S : e u t e e t o i d r a i l s t e e l , e y e li e s t r e s s 一 s t r a i n , e y c li e s o f t e n i n g a n d h a r d e n i n g , e y e li e s t r a i n h a r d e n i n g e x P o n e n t · 1 99 0一 1 0一 3 0 收稿材料科学与工程系 ( D e P a r tn e n 丈。 f M a t , r i a l s c i e n c e a n d E n g i n e e t i n g ) 2 3 3 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1991. 03. 024

普通金属及合金在交变载荷下是不稳定的，可能出现循环软化或循环硬化，这取决于材科成分、原始显微组织状态及应变幅〔1)。通常冷加工金属循环软化，退火金属循环硬化。在循环软、硬化同时发生时，大应变硬化，小应变软化)。因此，当用单向拉伸性能去预测周期载荷下钢的塑性流变行为时，就会使估计值与实际值不一致。本试验的目的就是在不同实验参数条件下研究不同显微组织对共析轨钢循环应变行为的影响。 1试验方法试验用钢是由武钢提供的C一Mn热轧钢轨钢，化学成分为(wt%):C一0.70，Si一 0.26,Mn一1.25，P一0.019，S一0.03。试料经煤炉加热后锻成棒，然后加工成标距为 30mm,标距部分直径为p10mm的单向拉伸及循环应变试样。将粗加工后的试样经850℃、1h 奥氏体化，按表1、2工艺进行热处理，得到各种片间距及粒间距的片状珠光体和回火索氏体组织，热处理均在盐浴炉中进行。试样处理后精磨，表面光洁度可达R。:0.6~0,84m。然后试样进行硬度及室温单向拉伸性能的测试。在金相显微镜下用截线法测定原奥氏体晶粒表1等温转变工艺，珠光体组织参数及机械性能 Table 1 Isothermal transformation procedures,microstructural parameters and mechanical properties of pearlites 等温转变原奥氏体珠光体珠光体硬度强度塑性晶粒直径片间距团直径温度，℃ 时间，h um HRC 00.2,MPa 0b,MPa延仲草，%惭断面收缩*，% 550 0.3 10.40,11 5.430.7 608.9 1057.3 13.4 50.7 600 0.6 10.60.155,727,4 546.2 958.3 13.8 51.1 640 1 10.5 0.20 6.323.7 451.7 862.8 15.3 53.2 670 2 10.5 0.30 7.117.0 360.4 775.0 16.0 37.5 表2 回火转变工艺，回火索氏体碳化物质点分布规律及机械性能 Table 2 Tempering transformation procedures,carbide particle.distributed pattern and mechanical properties of tempered sorbites 回火转变” 质点体积质点平平均质硬度强度塑性分数均直径点间距温度，℃时间，h Am HRC 00.2,MPa Ob,MPa 延伸格，%断面收缩率，% 500 2 0.28 0.3338.7 1015.4 1111.3 10.2 48.2 550 2 26.9 0.25 0.35 35.2 911,01000.9 11,8 50.8 600 2 26.9 0.34 0.45 30.2 796.1 942.7 17.1 45.8 650 28.8 0.46 0.66 23.4 673.8 794.4 19.4 58.3 700 2 26.0 0.800.7717,5 597.0 711.6 22.3 63.4 淬火介质为20*机油度及珠光体团直径。扫描电镜下随意选择视场摄取6张照片，用随机片间距法(3)，测量珠光体片间距，在Q-900图像分析仪上测定回火素氏体组织碳化物质点分布规律。采用增量步进法(Incremental Step Test)来确定循环应力一应变曲线r4)。试验是在美国的MTS-809 电液伺服材料试验机上进行的，应变步进增量为0.001，最大应变±0.015，频率0.005Hz, 234

普通金属及合金在交变载荷下是不稳定的 , 可能出现循环软化或循环硬化 , 这取决于材科成分、原始显微组织状态及应变幅〔 ` 〕。通常冷加工金属循环软化 , 退火金属循环硬化。在循环软、硬化同时发生时 , 大应变硬化 , 小应变软化〔 “ ’ 。因此 , 当用单向拉伸性能去预测周期载荷下钢的塑性流变行为时 , 就会使估计值与实际值不一致。本试验的目的就是在不同实验参数条件下研究不同显微组织对共析轨钢循环应变行为的影响。 1 试验方法试验用钢是由武钢提供的 C一 M n 热轧钢轨钢 , 化学成分为 ( w t % ) : C 一。。 70 , iS 一 0 . 26 , M n 一 1 . 2 5 , P一。 . 0 19 , S一 0 . 03 。试料经煤炉加热后锻成棒 , 然后加工成标距为 30 m m , 标距部分直径为价1 0 m m 的单向拉伸及循环应变试样。将粗加工后的试样经8 50 ℃ 、 h1 奥氏体化 , 按表 1 、 2 工艺进行热处理 , 得到各种片间距及粒间距的片状珠光体和回火索氏体组织 , 热处理均在盐浴炉中进行。试样处理后精磨 , 表面光洁度可达 R : : 0 . 6 ~ 。。 8那 m 。然后试样进行硬度及室温单向拉伸性能的测试。在金相显微镜下用截线法测定原奥氏体晶粒表 1 等通转变工艺 , 珠光体组织参数及机械性能 T a b l e 1 I s o t h e r m a l t r a n s f o r m a t i o n p r o e e d u r e s , m i e r o s t r u e t u r a l p a r a m e t e r s a n d m e e h a n i e a l p r o p e r t i e s o f p e a r li t e s 等温转变温度 , ℃ 强度塑性时间 , h 原奥氏体珠光体珠光体硬度晶粒直径片间距困直径 l ` m 群 m 拌m H R C J 0 . 2 , M P o a b , M P : 延伸率 , % 断面收缩率 , 肠 1 0 。 1 0 。 2 1 0 。 5 0 。 11 0 。 1 5 0 。 2 0 0 。 3 0 3 0 。 7 2 7 。 4 2 3 。 7 1 7 。 0 6 0 8 。 9 5 4 6 。 2 4 5 1 。 7 3 6 0 。 4 1 0 5 7 。 3 9 5 8 。 3 8 62 . 8 7 7 5 。 0 1 3 . 4 1 3 。 8 1 5 。 3 1 6 。 0 5 0 。 5 1 。 5 3 。 3 7 。 5066470D 表2 回火转变工艺 , 回火索氏体碳化物质点分布规律及机械性能 T a b l e 2 T e m p e r i n g t r a n s f o r m a t i o n p r o e e d u r e s , e a r b i d e p a r t i e l e . d i s t r i b u t e d P a t t e r n a n d m e e h a n i e a l p r o p e r t i e s o f t e m p e r c d s o r b i t e s 回火转变 . 质点体积分数 % 质点平均直径平均质点间距温度 , ℃ 时间 , h 硬度强度塑性 H R c a o . 2 , M P a 仃 b , M P a 延伸率 , % 断面收缩率 , % 2 6 。 2 6 。 0 。 2 8 0 。 3 3 0 。 2 5 0 。 3 5 0 。 3 4 0 。 4 5 0 。 4 6 0 。 6 6 0 . 8 0 0 。 7 7 3 8 。 7 3 5 。 2 3 0 。 2 2 3 。 4 1 7 。 5 10 。 2 1 1 。 8 17 。 1 1 9 。 4 2 2 。 3 4 8 。 2 5 0 。 8 4 5 。 8 5 8 。 3 6 3 。 4 呼几Q。`恤内J月b . . … 的引ùJ. `nU刁 J J 工, ,1 C。“J t ` 7 1,二 79691597015673 : 山邝八QUD 2 2 n ,八幼n é n n ù匀n `ùa 口甘n a内Jlb `th 淬火介质为2 。令机油度及珠光体团直径。扫描电镜下随意选择视场摄取 6 张照片 , 用随机片间距法〔 “ , , 测量珠光体片间距 ; 在 Q 一 9 0 图像分析仪上测定回火索氏体组织碳化物质点分布规律。采用增量步进法 ( I n e r e m e n t a l S t e p T e s t )来确定循环应力一应变曲线〔 4 〕。试验是在美国的 NI T S 一 8 0 9 电液伺服材料试验机上进行的 , 应变步进增量为。 , 0 0 1 , 最大应变士 0 。。1 5 , 频率o . 0 05 H : , 2 34

应变速率0,0002~0.003s',输入应变为全反向三角波，试验从最大应变开始，逐渐减小至零，然后再逐渐增大应变。选择两个应变步进增量0.0005,0.002，来考查该参数对轨钢循环应变行为的影响。用X一Y记录仪记录应力滞后回线。 2试验结果珠光体及回火索氏体的组织参数的定量分析结果分别如表1、2，同时给出了室温机械性能及硬度。由于试验采用相同的奥氏体化条件，保证了原奥氏体晶粒尺寸基本不变。随转变温度升高，珠光体片间距，回火索氏体碳化物质点直径及粒间距增大，转变温度越高，影响越显著。各转变温度下两组织的机械性能直接与其组织参数相关，细小的片间距及碳化物颗粒对应较大的硬度和强度。由增量步进试验获得的珠光体及回火索氏体的循环应力一应变曲线连同相应的单向应力一应变曲线由图1给出。在几种片间距的珠光体组织中，均在低应变下表现出循环软化，高应变下循环硬化，亦即软，硬化同时发生。而回火索氏体组织一般为循环软化，但在应变大于1,5%时，有单调和循环应力一应变曲线相交的可能。由于在大应变试验条件下，易导致试样失稳，因此循环应力一应变试验通常只在小子(1.0-1.5)%的应变范围内进行。对600℃ 等温转变的珠光体组织，在总应变为0.4%、0.6%和1.2%条件下做恒应变幅试验，结果如图2所示。图中横坐标用塑性应变累积表示，这个结果与循环应力一应变曲线是一致的，小应变软化，大应变硬化。循环软、硬化率初始阶段较大，并很快进入稳态循环。由增量步进试验得到的循环应力一应变曲线可由下式表示5)： 800 12006 55c-P 1000 5013 600-- 50气-1 800 60气-Ψ 6二 400 600 § 200 Monotonic 400 rcfle 200 0 0.4 0.8 1.2 --一3 onotonie Cyelie 18r/2,9% 0 00.40.81.2 1,6 88/2,% 函1单向及循环应力一应变曲线 (a)珠光体 (b)回火索氏体 Fig,1 Monotonic and cyclic stress-strain curves △/2=K'(△e,/2)m'其中A0/2为稳态应力幅，△e,/2为塑性应变幅，K'和m'分别为循环强度系数和循环应变硬化指数。将试验数据代人上式，用最小二乘法进行线性回归，其 235

应变速率。。。。。 2 一 0 . 0 0 3 5一 ’ , 输入应变为全反向三角波 , 试验从最大应变开始 , 逐渐减小至零 , 然后再逐渐增大应变。选择两个应变步进增量。 . 0 0 05 , o 。 0 02 , 来考查该参数对轨钢循环应变行为的影响。用 X 一 Y 记录仪记录应力滞后回线。 2 试验结果珠光体及回火索氏体的组织参数的定量分析结果分别如表 1 、么 , 同时给出了室温机械性能及硬度。由于试验采用相同的奥氏体化条件 , 保证了原奥氏体晶粒尺寸基本不变。随转变温度升高 , 珠光体片间距 , 回火索氏体碳化物质点直径及粒间距增大 , 转变温度越高 , 影响越显著。各转变温度下两组织的机械性能直接与其组织参数相关 , 细小的片间距及碳化物颗粒对应较大的硬度和强度。由增量步进试验获得的珠光体及回火索氏体的循环应力一应变曲线连同相应的单向应力一应变曲线由图 1 给出。在几种片间距的珠光体组织中 , 均在低应变下表现出循环软化 , 高应变下循环硬化 , 亦即软 , 硬化同时发生。而回火索氏体组织一般为循环软化 , 但在应变大于 1 。 5肠时 , 有单调和循环应力一应变曲线相交的可能。由于在大应变试验条件下 , 易导致试样失稳 , 因此循环应力一应变试验通常只在小于 ( 1 . 。一 1 . 5) % 的应变范围内进行。对 60 。 ℃ 等温转变的珠光体组织 , 在总应变为。。 4 % 、 0 . 6 %和 1 . 2 % 条件下做恒应变幅试验 , 结果如图 2 所示。图中横坐标用塑性应变累积表示 , 这个结果与循环应力一应变曲线是一致的 , 小应变软化 , 大应变硬化。循环软、硬化率初始阶段较大 , 并很快进入稳态循环。由增量步进试验得到的循环应力一应变曲线可由下式表示 C ” ’ : 8 0 0叮 { 6 0 0卜 { 鑫 _ { 互 { 1 2 0 0 1 0 0 0 5 0 0 氏足。 ǎ哭\ b ù V 毖 à 野州 t 匕) 、一厂叫止- ` . . . . . . . . 明口 . . 一一竺共示浅弃 : 二二庐{ 产一幸尸尹声不 - … _ 之 2“ 。卜 0 . 4 0 . 8 八s 丁 / 2 , % — M o 工l o t o ll l e 一一 C y d 记一e 诊一 .八Q曰丫 ` ú J l 0 。 4 0 . 8 么。洲2 , % 1 。 2 1 . 6 图 1 单向及循环应力一应变曲线 F 1 9 . 1 M o n o t o n i e a n d e y e l i e ( a ) 珠光体 s t r C s s 一 s t r a i n ( b ) 回火索氏体 C U t V e S △川 2 二 K , ( 如 p / 2 ) ” 其中△a/ 2 为稳态应力幅 , A o p 2/ 为塑性应变幅 , K ` 和 m, 分别为循环强度系数和循环应变硬化指数。将试验数据代人上式 , 用最小二乘法进行线性回归 , 其 2 3 5

沁习 △。 P二。 . 1 。 , 6。芯 O 0 0 6 7 又` . 一一 } { 万0 . 0 0 3 3 . . . . . . . . . . 表3 单调及循环应力一应变参数 T a b l e 3 M o n o t o n i e a n d e y e li e s t r e s s 一 s t r a i n P a r a m e t e r s 转变温度 ℃ 单调一一一 - - 一一 - 一一 - - 一~ 一一循环 △勺 = O 。 1% m M P a M p a m ` 尤 , M P a 口 0 . 2 M P a 之昌\阅0 刃△孙 , % 图 2 △口 / 2一刃 △e p 关系曲线 F 1 9 . 2 s t r e s s a m P l i t u d e S v s a c c u m 粗 l a t i o n o f P l a s t i e s t r a i n 5 5 0一P O 。 13 1 12 4 3 。 6 6 0 8 。 9 0 。 1 80 1 6 6 5 . 7 5 1 1 。 5 6 0 0一P 0 . 1 4 5 1 1。了 . 1 5 4 6 . 2 0 . 15 4 2 5 6 6 . , 4 9 9 . 6 6 4 0一 P O 。 1 7 5 11 9 6 。 7 4 5 1 。 7 0 。 1 94 14 5 7 一 7 4 3 6 。 7 6 7 0一 P O 。 1 8 2 1 0 2 7 。 4 3 6 0 。 4 0 . 2 0 5 13 3 4 。 6 3 7了。 8 5 00一 M O 。 0 7 1 1 4 5 1 。 9 1 01 5 。 4 0 。 1 9 0 2 2 2 1 。 2 69 2 。 2 5 5 0一 M O 。 0 3 3 1 08 2 。 8 9 11 。 0 0 。 1 9 2 1 9 8 9 。 3 60 0 。 2 6 0 0一 M O 。 0 0 7 8 2 9 。 2 7 96 。 1 0 。 1 99 1 8 1 0 。 1 5 3 8 。 7 6 50一 M 一 0 。 0 3 0 5 8 4 。 0 6 7 3 。分 0 . 1 8 5 1 4 1 2 . 8 4 5 0 。 4 7 0 0一 M 一 0 。 0 4 5 4 7 9 。 4 5 9 7 。 0 0 。 1 8 3 1 2 4 3 。 3 4 0 2 。 l . . . . . , `二 = , = 丫 , t , 二 , . , , , 二 , , ` 二. . . . . 性, 曰, . 曰. . . . . . . . 臼甲结果连同相应的单向拉伸性能见表 3 , 表中 P 为珠光体 , M 代表回火素氏体。图 3 为应变步进增量 ( 如 : ) 与循环应力一应变参数的关系 , 该图说明改变应变步进增量会对轨钢的循环应变行为产生影响 , 且对两种组织的作用规律基本相同。 . 、d昙聋 ( a ) _ 一才份 O 。。 0 . 2 . 小 , 。凡 , 1 . 、、闷… 1 、 … \ \ … 人。。 . ?’, O 止 \ \ 一助卜肚卜| | 卜| 妇曰曰n ,乃土O心` 1乃通伪」J 己芝\ 囚 . 一。工 3 0 0 J ZU () 寸一月一一卜一{ 。 · 15 {叫闷一州户d目袱刀卜艺比曰d 1 1 0 0 1 0 0 0 八` : , % 0 . 0 0 . 1 0 , 2 么a 工 , `沁图 3 F 19 。 3 循环应力一应变参数与应变步进增量之关系 D e P e n d e n e e o f i n e r e m e n t a l s t e P s t r a i n ( a ) 6 0 0 .c 一 P , ( b ) 7 0 0℃ 一 M C y e l i e s t r e s s 一 S t r a i n P a r a m e t e r s O`jJ月、护nJ 3 讨由图 1 可知 , 显微组织对循环应变行为的影响是巨大的 , 对珠光体而言 , 随片间距增大 , 对应的循环硬化范围越大 , 单调和循环应力一应变曲线交点对应的应变越小。将此交点定义为循环应变行为的临界应变 , 用。 C 表示 , 各等温温度下的。。值分别为 : 5 50 ℃一 1 。 0 沁 ; 2 3 6

600℃一0.68%；640℃一0.56%；670℃一0.36%。临界应变的意义是，应变大于8c时为循环硬化，小于ec为循环软化，等于εc时组织处于相对稳定状态，即在应变ec处完成循环软、硬化间的过渡。总之，临界应变幅越小，硬化程度越大，因此，转变温度高，片间距大，对应的硬化幅就越大。图4直观地说明了这个问题。该图是图1中应变幅1.0%处的单调一循环应力幅值差与等温及回火温度的关系，△0m-c=σ单调一σ环循，代表循环软化幅。图中两组织均随转变温度的降低（对应细组织、高强度），软化程度加大，说明软材料的循环应变性能优于硬材料，珠光体优于回火索氏体。由位错理论可知，当塑性形变使位错密度增加时，流变应力因可动位错的增加趋于降低，因位错的可动性降低而增大。而珠光体，粗片间距组织中的起始位错密度较低，易在较低的应力下产生大量位错可能是其循环应变性能优于细片珠光体的原因所在。在循环塑性应变过程中，无论是循环硬化，还是软化，都是由于循环载荷下位错结构，位错密度，排列及不同的交互作用所致。 1000 00 200 006.2 M 800 C 100 600 400 -100 500 600 700 T/℃ 200L 500 600 700 T/C 图4△e=1.0%时，△0m-c-T关系曲线图500.2，σ0：2与转变温度之关系 Fig.4 The relationship between cyclic Fig.5 Monotonic and cyclic yield softening amplitudes and tran- stresses vs transformation sformation temperatures while temperatures △e=1.0% 金属及合金的循环应变行为是在交变载荷下出现的，反映了材料的疲劳特征。循环软、硬化主要发生于循环的初始阶段（图2），起始软、硬化速率最大，随塑性应变的积累，软、硬化速率逐渐减小，经过一定次数的循环后，减小为零，达到稳定或饱和状态，位错处于动态平衡。这时的循环载荷滞后回线的形状一直到断裂之前的一瞬间基本不再改变了，因此金属的疲劳过程应受饱和强度的控制，而不取决于单调强度。屈服强度条件下两组织的单调及循环应力与转变温度的关系如图5所示。转变温度不同时，两组织的0.2近似平行，循环应变后的σ。！2也平行，只是相对扭转一定角度，说明在不同的转变温度下，屈服强度的相对软化程度相同，珠光体的软化幅远小于回火索氏体。如以循环屈服强度为标谁来比较二组织的差异，550℃-P(g2'。=552MPa)和600℃-M(g。'2=539MPa)的0，.2相近，但后者的屈服强度(796MPa)要比前若(609MPa)高近200MPa。由于两组织的原始状态、位错 237

60 0 ℃一。 . 68 % ; 6 40 ℃一。 . 65 肠 ; 6 70 ℃一。 . 63 % 。临界应变的意义是 , 应变大于。 C 时为循环硬化 , 小于。。为循环软化 , 等于。。时组织处于相对稳定状态 , 即在应变 : 。处完成循环软、硬化间的过渡。总之 , 临界应变幅越小 , 硬化程度越大 , 因此 , 转变温度高 , 片间距大 , 对应的硬化幅就越大。图 4 直观地说明了这个问题。该图是图 1 中应变幅 1 。 0 %处的单调一循环应力幅值差与等温及回火温度的关系 , △a 。一。 = , 单调一。环循 , 代表循环软化幅。图中两组织均随转变温度的降低 ( 对应细组织、高强度 ) , 软化程度加大 , 说明软材料的循环应变性能优于硬材料 , 珠光体优于回火索氏体。由位错理论可知 , 当塑性形变使位错密度增加时 , 流变应力因可动位错的增加趋于降低 , 因位错的可动性降低而增大。而珠光体 , 粗片间距组织中的起始位错密度较低 , 易在较低的应力下产生大量位错可能是其循环应变性能优于细片珠光体的原因所在。在循环塑性应变过程中 , 无论是循环硬化 , 还是软化 , 都是由于循环载荷下位错结构 , 位错密度 , 排列及不同的交互作用所致。 O ! 疚 L \ 《 { 、卜、 ` . ~ .。、闪! 气 , .只心闷} 卜 !厂 . 》 1 0 0 0 八曰八U n 八曰ù ó nUl U 性0六月0D 匆艺\目闪甘叭. b。 6 0 0 丁/ ℃ { 、1 { 一一 n ùnU八1 n ù n 上月工, ù . 山昌. \门匕甲三 2 0 0一渝 6 0 0 丁/ ℃ 图 4 △ ￡ = 工。。 % 时 , △cr 二一。一 T 关系曲线 F 19 . 4 T h e r e l a t i o n s h i P b e t w e e n e y e l i e 。 o f t e n i n g a m P l i t u d e s a n d t r a n - s f o r 位 a t i o n t e m P e r a t u r e s w h i l e △巴 = 1 。 O% 图 5 。。 . 2 , 。。了 2 与转变温度之关系 F i g 。 5 M o n o t o o i e a n d e y e l i e y i e l d s t r e s s e s v s t r a n s f o r m a t i o n t e m P e r a t u r e s 金属及合金的循环应变行为是在交变载荷下出现的 , 反映了材料的疲劳特征。循环软、硬化主要发生于循环的初始阶段 ( 图 2 ) , 起始软、硬化速率最大 , 随塑性应变的积累 , 软、硬化速率逐渐减小 , 经过一定次数的循环后 , 减小为零 , 达到稳定或饱和状态 , 位错处于动态平衡。这时的循环载荷滞后回线的形状一直到断裂之前的一瞬间基本不再改变了 , 因此金属的疲劳过程应受饱和强度的控制 , 而不取决于单调强度。屈服强度条件下两组织的单调及循环应力与转变温度的关系如图 5 所示。转变温度不同时 , 两组织的。。。 : 近似平行 , 循环应变后的 a 。 ! : 也平行 , 只是相对扭转一定角度 , 说明在不同的转变温度下 , 屈服强度的相对钦化程度相同 , 珠光体的软化幅远小于回火索氏体。如以循环屈服强度为标准来比较二组织的差异 , 5 50 ℃ 一 P (叮 : 了。 = 5 5 2 M P a ) 和 60 0 ℃ 一 M (叮。尹 : = 5 3 9 M P a ) 的 a 。了 : 相近 , 但后者的屈服强度 ( 7 9 6 M P a ) 要比前者 ( 6o g M P a ) 高近 2 0 M P a 。由于两组织的原始状态、位错 2 3 7

结构以及交变载荷下位错运动方式等的不同，只用单调强度来说明不同显微组织的疲劳行为会带来很大误差。由表3的应力一应变参数可知，珠光体的单调及循环应变硬化指数均随片间距增大而提高，强度系数的规律与之相反。由K、m的定义可知，K代表强度大小，即曲线在纵向的位置，因此片间距小，强度高，K、K'就越大。应变硬化指数m实际上是曲线的形状因子，其大小决定了曲线形状。前己述及，珠光体转变范围内，单调和循环应力一应变曲线相交，低应变循环软化，高应变硬化，这就决定了循环应力一应变曲线较单调曲线陡，因而对同一片间距组织，循环应变硬化指数比单调硬化指数大，试验结果也证明了这点。另外，临界应变越小，硬化程度越大，对应较陡的循环应变曲线，从而循环应变硬化指数就大。由此可见，对珠光体类型的曲线（单-循曲线相交型），虽然m'为形状因子，仍可用m'来表达其循环应力一应变行为。对回火素氏体型曲线（单-循曲线不相交）则无上述规律。从而澄清了以往仅用m'来表述软硬化程度的错误概念。图3表明，不论在珠光体或是在回火索氏体中，m',K都随应变步进增量减小而提高，同时0。，2减小，与我们预测结果相吻合。从极限情况看，当应变步进增量大于所测的应变范围时，实际上就是单调曲线。由此可推知，应变步进增量越大，循环应力一应变曲线就越接近单调曲线，所出现的软硬化程度越小，对珠光体亦即在临界应变幅左侧的软化幅及右侧的硬化幅都小。据本试验结果，用解析法求得的600℃-P三种给定应变步进增量所得循环应力一应变曲线的临界应变分别为△e1= 0.05%一ec=0.69,0.1%一0,68；0,2%一0.68，基本保持不变。这是个很有意义的结果，说明对某种片间距的珠光体组织，在应变步进增量不同时测定的循环应力一应变曲线，其临界应变幅不变，应变步进增量不同对循环应变行为的影响，表现为循环曲线以临界应变为支点相对单调曲线左右旋转。应变步进增量越小，旋转幅度越大，应变硬化指数m越大，硬化率高，而0。'2小，由此可解释0。'2和m′的相反变化规律。 4结论 (1)在选定的应变幅及转变温度范围内，回火索氏体均为循环软化；珠光体为软、硬化同时发生。临界应变幅随等温转变温度的升高而降低。软材料的循环应变性能优于硬材料，珠光体优于回火索氏体。 (2)循环软、硬化主要发生于循环的初始阶段，起始软、硬化速率最大，随循环次数增 3 加，逐渐减小，直至为零，达到稳态循环状态。疲劳过程受饱和强度控制。 (3)对珠光体组织，循环应变硬化指数m'随片间距增大而提高，可用m'来表达其循环应力一应变行为。回火索氏体则无上述规律。 (4)随应变步进增量减小，应变硬化指数增大，循环屈服强度降低。临界应变量与应变步进增量无关。参考文献 1 Sunwoo H,et al.Metall.Trans.A,Nov,1982,13A(11):2035 2 Laird C.Fatigue Resistance,Chap.M in Alloy and Microstructure Design,Academic Press,New York:1976 3 Vander G F,Voort,et al.Metallography,1984,17:1 4 Landgraf R W,et al.J.Mat.Mar,1969,4 (1):176 5 Hollomon J H.Trans.AIME,1945,162:248 238

结构以及交变载荷下位错运动方式等的不同 , 只用单调强度来说明不同显微组织的疲劳行为会带来很大误差。由表 3 的应力一应变参数可知 , 珠光体的单调及循环应变硬化指数均随片间距增大而提高 , 强度系数的规律与之相反。由 K 、。的定义可知 , K 代表强度大小 , 即曲线在纵向的位置 , 因此片间距小 , 强度高 , K 、 K ` 就越大。应变硬化指数 m 实际上是曲线的形状因子 , 其大小决定了曲线形状。前己述及 , 珠光体转变范围内 , 单调和循环应力一应变曲线相交 , 低应变循环软化 , 高应变硬化 , 这就决定了循环应力一应变曲线较单调曲线陡 , 因而对同一片间距组织 , 循环应变硬化指数比单调硬化指数大 , 试验结果也证明了这点。另外 , 临界应变越小 , 硬化程度越大 , 对应较陡的循环应变曲线 , 从而循环应变硬化指数就大。由此可见 , 对珠光体类型的曲线 ( 单一循曲线相交型 ) , 虽然。 / 为形状因子 , 仍可用 m, 来表达其循环应力一应变行为。对回火索氏体型曲线 (单一循曲线不相交 ) 则无上述规律。从而澄清了以往仅用 m ` 来表述软硬化程度的错误概念。图 3 表明 , 不论在珠光体或是在回火索氏体中 , 。产 , K / 都随应变步进增量减小而提高 , 同时『。 ! : 减小 , 与我们预侧结果相吻合。从极限情况看 , 当应变步进增量大于所测的应变范围时 , 实际上就是单调曲线。由此可推知 , 应变步进增量越大 , 循环应力一应变曲线就越接近单调曲线 , 所出现的软硬化程度越小 , 对珠光体亦即在临界应变幅左侧的软化幅及右侧的硬化幅都小。据本试验结果 , 用解析法求得的 6 0 ℃ 一 P 三种给定应变步进增量所得循环应力一应变曲线的临界应变分别为如 : = 0 。 05 %一。。 = 。。 69 , 0 。 1% 一。。 68 ; 0 . 2%一 0 . 68 , 基本保持不变。这是个很有意义的结果 , 说明对某种片间距的珠光体组织 , 在应变步进增量不同时测定的循环应力一应变曲线 , 其临界应变幅不变 , 应变步进增量不同对循环应变行为的影响 , 表现为循环曲线以临界应变为支点相对单调曲线左右旋转。应变步进增量越小 , 旋转幅度越大 , 应变硬化指数耐越大 , 硬化率高 , 而 ’o 。 ! : 小 , 由此可解释丁。广 : 和 m ` 的相反变化规律。 4 结论 ( 1) 在选定的应变幅及转变温度范围内 , 回火索氏体均为循环软化 ; 珠光体为软、硬化同时发生。临界应变幅随等温转变温度的升高而降低。软材料的循环应变性能优于硬材料 , 珠光体优于回火素氏体。 ( 2) 循环软、硬化主要发生于循环的初始阶段 , 起始软、硬化速率最大 , 随循环次数增加 , 逐渐减小 , 直至为零 , 达到稳态循环状态。疲劳过程受饱和强度控制。 (3 ) 对珠光体组织 , 循环应变硬化指数沉 ` 随片间距增大而提高 , 可用。 ` 来表达其循环应力一应变行为。回火索氏体则无上述规律。 ( 4) 随应变步进增量减小 , 应变硬化指数增大 , 循环屈服强度降低。临界应变量与应变步进增量无关。参考文献 3 S u n w o o H , e t a l . M e t a ll . T r a n s . A , N o 今 1 9 8 2 , z 3 A ( 1 1 ) : 2 0 3 5 L a i r d C 。 F a t i g u e R e s i s t a n e e , C h a p . Vl i n A ll o y a n d M i e r o s t r u e t u r e D e s i g n , A e a d e m i e P r e s s , N e w Y o r k : 1 9 7 6 V a n d e r G F , V o o r t , e t a l 。 M e t a ll o g r a p h y , 1 9 8 4 , 1 7 : 1 L a n d g r a f R W , e t a l 。 J . M a t . M a r , 19 6 9 , 4 ( 1 ) : 1 7 6 H o ll o m o n J H 。 T r a n s 。 A I M E , 1 9 4 5 , 1 6 2 : 2 4 8 八J4 lb 2 3 8