658 工程科学学报，第43卷，第5期 热机械疲劳试验机进行等温疲劳试验，试验机使 1000 800 -△82=0.7% 用带有固态中频发射机的感应线圈来加热样品的 一△x./2=0.9% 标距部分.将k型热电偶用点焊的方式焊接在试 600 -4x2=1.1% 400 件中心来监测温度，温度波动误差可以控制在 200 ±5℃以内.轴向拉伸应变通过安装在试样标距中 0 1 100 1000 心部分的高温陶瓷引伸计进行控制， -200 Cycles to failure,N -400 试验在非真空状态600℃下进行，疲劳试验 -600 过程中的应变幅值分别为0.7%、0.9%和1.1%.应变 -800 率R=emin/Emax二-l(其中cmn和emax分别代表最小 -1000 和最大应变幅)，一个循环周次为200s.根据ASTM 图2循环应力响应曲线 E2368-10(2017)标准，本实验采用稳定循环周次 Fig.2 Cyclic stress response curves 的最大拉应力降低75%时的循环周次作为试样失 效判据，即对应疲劳寿命(N),然后采用双对数坐 2.1.2应力-应变滞后回线 标绘制最大拉应力和循环周次之间的关系曲线 与拉压对称的循环应力响应曲线对称性相 采用VHX-600型超景深显微镜观察疲劳后 似，应力-应变滞后回线关于原点对称，从图3可 试样表面氧化和裂纹形貌.将标距中心部分Φ6mm× 以看出随着循环的增加，由于最大拉压应力的减 l2mm的圆柱体通过电火花线切割从试样上分 小，应力-应变滞后回线由立着的扁长形状向近乎 离，并使用体积分数为10%~15%的盐酸溶液去 平行四边形形状转化，曲线的斜率减小，表明 除试样表面氧化层，观察更清晰的试样裂纹形貌 H13钢在整个等温疲劳过程中持续循环软化.这 将圆柱体试样沿轴向切成对称两部分，镶嵌后采 是因为在初始循环周次，材料的基体强度和马氏 用Nikon LV150型光学显微镜和Zeiss Supra-40 体位错密度高，达到相应应变幅所需的最大应力 型扫描电子显微镜观察截面裂纹形貌和显微组 大，随着循环周次的增加，高温下会出现动态回复 织，另外采用NH-3型显微硬度计对试样截面显 的过程，高温杨氏模量和屈服强度随温度升高迅 微硬度进行测量，载荷为300g,保压15s 速下降，材料会逐渐软化，达到相同应变幅所需要 的最大应力也会减小20 2结果与讨论 应力应变滞后回线滞回环的面积大小体现试 2.1疲劳力学行为 样损伤的能量，也反映了材料的软化，滞回环的面 2.11循环应力响应曲线 积越大代表损失的能量越多，材料损伤越严重四， 材料的热疲劳力学行为可以在循环应力响应曲 因此通过滞回环的面积可以比较材料的损伤程 线中得以表现，曲线对材料的循环软化或者软化 度.从图3中可以明显地看出应变幅越大，滞回环 也有一定的评估.图2为试样在等温热疲劳实验 的面积越大，即材料的损伤程度越大 下的循环应力响应曲线，实验条件下拉伸应力和 2.2疲劳裂纹 压缩应力呈现对称状态，初始循环阶段可能存在 采用超景深显微镜观察标距中心部分试样表 不稳定现象，出现如图2中类似循环硬化的现象， 面疲劳裂纹情况.因为标距部分是圆柱体，而裂纹 循环稳定后随着循环的进行拉应力和压应力都减 在试样表面沿圆周进行扩展，最终裂纹形态是通 小，说明在稳定循环过程中材料表现为循环软化， 过超景深显微镜沿圆周选取几个部分拍摄，然后 且拉应力和压应力曲线下降速率相近，说明拉伸 拼接在一起呈现裂纹整体形貌，样品表面裂纹形 和压缩两部分材料的软化速率差不多，可以得知 貌如图4所示.从图4可以看出表面裂纹均沿标 在等温疲劳循环过程中材料是持续循环软化.最 距中心圆周方向伸展（垂直于加载方向），而且应 终试样在失效之前出现较为明显的循环响应应力 变幅越大，主裂纹越明显、宽度越大、扩展长度越 突然快速下降的现象，可能是宏观裂纹形成后失 长，1.1%应变幅试样的表面主裂纹沿圆周扩展近 稳扩展，应变幅越大，最终试样失效的循环周次越小， 一周.0.9%应变幅试样扩展长度近4/5周，而0.7% 即疲劳寿命越短.1.1%应变幅试样的循环周次为 应变幅试样裂纹扩展只有半周左右.这表明应变 205周次，仅为0.7%应变幅试样（循环周次为335 的增加会明显加速裂纹的扩展，因为裂纹扩展的 周次)的61.2%，应变的增加降低了疲劳寿命 驱动力主要是机械力，应变越大，裂纹扩展的驱动热机械疲劳试验机进行等温疲劳试验，试验机使 用带有固态中频发射机的感应线圈来加热样品的 标距部分. 将 k 型热电偶用点焊的方式焊接在试 件中心来监测温度，温度波动误差可以控制在 ±5 ℃ 以内. 轴向拉伸应变通过安装在试样标距中 心部分的高温陶瓷引伸计进行控制. 试验在非真空状态 600 ℃ 下进行，疲劳试验 过程中的应变幅值分别为 0.7%、0.9% 和 1.1%. 应变 率 Rε=εmin/εmax=−1（其中 εmin 和 εmax 分别代表最小 和最大应变幅），一个循环周次为 200 s. 根据 ASTM E2368–10（2017）标准，本实验采用稳定循环周次 的最大拉应力降低 75% 时的循环周次作为试样失 效判据，即对应疲劳寿命（Nf），然后采用双对数坐 标绘制最大拉应力和循环周次之间的关系曲线. 采用 VHX–600 型超景深显微镜观察疲劳后 试样表面氧化和裂纹形貌. 将标距中心部分 Φ6 mm× 12 mm 的圆柱体通过电火花线切割从试样上分 离，并使用体积分数为 10%～15% 的盐酸溶液去 除试样表面氧化层，观察更清晰的试样裂纹形貌. 将圆柱体试样沿轴向切成对称两部分，镶嵌后采 用 Nikon LV 150 型光学显微镜和 Zeiss Supra–40 型扫描电子显微镜观察截面裂纹形貌和显微组 织. 另外采用 NH–3 型显微硬度计对试样截面显 微硬度进行测量，载荷为 300 g，保压 15 s. 2    结果与讨论 2.1    疲劳力学行为 2.1.1    循环应力响应曲线 材料的热疲劳力学行为可以在循环应力响应曲 线中得以表现，曲线对材料的循环软化或者软化 也有一定的评估. 图 2 为试样在等温热疲劳实验 下的循环应力响应曲线，实验条件下拉伸应力和 压缩应力呈现对称状态，初始循环阶段可能存在 不稳定现象，出现如图 2 中类似循环硬化的现象， 循环稳定后随着循环的进行拉应力和压应力都减 小，说明在稳定循环过程中材料表现为循环软化， 且拉应力和压应力曲线下降速率相近，说明拉伸 和压缩两部分材料的软化速率差不多，可以得知 在等温疲劳循环过程中材料是持续循环软化. 最 终试样在失效之前出现较为明显的循环响应应力 突然快速下降的现象，可能是宏观裂纹形成后失 稳扩展，应变幅越大，最终试样失效的循环周次越小， 即疲劳寿命越短. 1.1% 应变幅试样的循环周次为 205 周次，仅为 0.7% 应变幅试样（循环周次为 335 周次）的 61.2%，应变的增加降低了疲劳寿命. 2.1.2    应力–应变滞后回线 与拉压对称的循环应力响应曲线对称性相 似，应力–应变滞后回线关于原点对称，从图 3 可 以看出随着循环的增加，由于最大拉压应力的减 小，应力–应变滞后回线由立着的扁长形状向近乎 平行四边形形状转化 ，曲线的斜率减小 ，表 明 H13 钢在整个等温疲劳过程中持续循环软化. 这 是因为在初始循环周次，材料的基体强度和马氏 体位错密度高，达到相应应变幅所需的最大应力 大，随着循环周次的增加，高温下会出现动态回复 的过程，高温杨氏模量和屈服强度随温度升高迅 速下降，材料会逐渐软化，达到相同应变幅所需要 的最大应力也会减小[20] . 应力应变滞后回线滞回环的面积大小体现试 样损伤的能量，也反映了材料的软化，滞回环的面 积越大代表损失的能量越多，材料损伤越严重[21] ， 因此通过滞回环的面积可以比较材料的损伤程 度. 从图 3 中可以明显地看出应变幅越大，滞回环 的面积越大，即材料的损伤程度越大. 2.2    疲劳裂纹 采用超景深显微镜观察标距中心部分试样表 面疲劳裂纹情况. 因为标距部分是圆柱体，而裂纹 在试样表面沿圆周进行扩展，最终裂纹形态是通 过超景深显微镜沿圆周选取几个部分拍摄，然后 拼接在一起呈现裂纹整体形貌，样品表面裂纹形 貌如图 4 所示. 从图 4 可以看出表面裂纹均沿标 距中心圆周方向伸展（垂直于加载方向），而且应 变幅越大，主裂纹越明显、宽度越大、扩展长度越 长，1.1% 应变幅试样的表面主裂纹沿圆周扩展近 一周，0.9% 应变幅试样扩展长度近 4/5 周，而 0.7% 应变幅试样裂纹扩展只有半周左右. 这表明应变 的增加会明显加速裂纹的扩展，因为裂纹扩展的 驱动力主要是机械力，应变越大，裂纹扩展的驱动 1000 −1000 800 600 400 200 −200 −400 −600 −800 0 0 10 100 1000 Maximum stress/MPa Cycles to failure, Nf Δεm/2=0.7% Δεm/2=0.9% Δεm/2=1.1% 图 2    循环应力响应曲线 Fig.2    Cyclic stress response curves · 658 · 工程科学学报，第 43 卷，第 5 期