廖庆亮等：二次带状组织对低合金非调质钢疲劳性能的影响 ·1585· 太清晰的疲劳辉纹或者轮胎花样.断面上并没有以小 疲劳损伤应变引发损伤微裂纹和微空洞的发生 刻面为特征的表面疲劳裂纹源.6×10次以上循环载 在无带状组织的材料中由于珠光体和铁素体均匀 荷断裂的试样，断面特征和20-S大致相同.图4(d) 分布，当发生循环拉应力时，珠光体和铁素体可以相互 是20℃在3×10次断裂试样的断面放大照片.可以 协调应变，使得弹塑性好的铁素体发生更大的应变，强 看到纤维状的断面上分布着PSB区、光滑解理区和准 度高、弹性模量大的珠光体产生更小的应变.疲劳应 解理区：纤维区高倍放大后除了韧窝，还可以观察到少 力不变时由于塑性应变使得材料发生强化，继而使得 量的疲劳辉纹，如图4(e)所示：光滑解理区放大后能 随后的应变减小，发生应变损伤的概率进一步下降. 观察到不太清晰的疲劳辉纹，如图4(). 35℃和35-S的疲劳性能差距不大.疲劳断口形 35C和35-S的疲劳断口形貌特征基本一致，具 貌显示35℃相对35S断裂模式并没有改变.合金元 有疲劳断裂的典型特征.图4(g)是35C试样在经过 素使得35CMo组织已经接近共析，且珠光体片层间 6×10次疲劳拉伸循环发生断裂试样的断口裂纹源形 距较大，强度提高同时，塑性降低，容易引发裂纹萌生 貌，可以看出主要有解理状的小刻面组成：图4(h)是 扩展，所以35CMo有较低的疲劳极限比.低的疲劳极 裂纹扩展区形貌，可以看出裂纹扩展区分布着大量疲 限比使得疲劳最大拉应力远低于屈服强度，产生的应 劳辉纹.裂纹扩展第二阶段占整个断面的一半以上； 变远小于疲劳损伤应变，不容易引发损伤裂纹.另一 图4()是瞬间断裂区形貌，可以看出呈韧窝状.图4 方面由于组织接近共析，所以带状组织与基体同属于 (j)~(1)分别是35-S试样在经过6×103次循环载荷 珠光体组织，带状组织特征不是很明显，只是碳含量不 断裂试样的裂纹源、裂纹扩展第二阶段及最后断裂区 同，力学性能差异较小，使得带状组织的疲劳损伤应变 形貌.可以看出断面基本特征和35C一致. 和基体的疲劳损伤应变差别不大，不存在明显的应变 损伤薄弱区.35CMo中的带状组织没有引发疲劳断 3分析讨论 裂模式的改变，所以对疲劳性能影响较小.20-C的断 裂方式更加符合损伤力学模型.20-S和35CMo的断 3.1二次带状组织对疲劳性能的影响 裂方式则更加符合断裂力学，即单一裂纹表面萌生扩 试验结果表明，二次带状组织并没有显著降低材 展最终发生断裂.断裂力学和损伤力学的示意图如图 料的纵向拉伸性能，但是对DG20Mn的疲劳性能有显 5所示四 著的影响.根据试验结果可知，珠光体相对于铁素体 也属于脆性组织，有着更高的弹性模量四.铁素体相 不不 不N 对于珠光体有着更高的疲劳损伤应变，即在相同的疲 劳应变幅下珠光体更容易发生微观断裂损伤.在存在 二次带状组织的拉伸试样中，珠光体和铁素体平行排 7777 列.二次带状组织看成大量长度相等且互相独立互相 (a) 平行排列的纤维组成。纤维束模型中往往应用 图5断裂力学(a)和损伤力学(b)模型示意图 Weibull的强度统计理论，认为固体材料的断裂取决于 Fig.5 Schematic illustration of fracture mechanics (a)and damage 局部缺陷而非整体强度阿 mechanics models (b) 由于带状组织中，铁素体纤维和珠光体纤维平行 为了更好地验证以上分析，对断裂试样断口附近 分布，当发生拉应力并产生拉应变时，相互之间具有很 取样，抛光浸蚀后观察表面.在20S经过5×10次循 强的独立性，并不能相互协调应变，珠光体纤维和铁 环应力断裂的试样表面观察到萌生于铁素体处的表面 素体纤维产生相同的应变，由于珠光体条带对循环应 裂纹，如图6(a)所示：在20-C经过4×10次循环载荷 变损伤较为敏感，在高应力循环载荷下很容易在珠光 断裂试样表面观察到萌生于珠光体条带处的表面裂 体处提前产生微观损伤断裂，产生微裂纹和微空洞 纹，如图6(b)所示.35CMo由于强度高且塑性差，裂 随着循环载荷的不断进行，损伤继续扩大，一方面损伤 纹萌生后，迅速扩展，不容易产生二次裂纹，所以在疲 微裂纹和微空洞长大并合并成为大裂纹使得应力更加 劳断裂试样的断口附近表面没有发现裂纹. 集中：另一方面损伤使得有效横截面积减小，有效载荷 3.2二次带状组织对疲劳断口形貌的影响 加大，产生更大应变，损伤加剧.大于10次循环载荷 疲劳辉纹是疲劳裂纹扩展第二阶段典型微观特 断裂试样，疲劳拉应力低于300MPa,应变减小（塑性 征.在裂纹扩展第二阶段疲劳最大拉应力小于材料的 应变消失)，损伤不容易内部产生.总的来说，20C低 屈服强度，裂纹尖端应力集中产生屈服，一条辉纹代表 周疲劳断裂模型主要是由于带状组织引起的珠光体应 一次载荷时裂纹尖端的塑性变形0-0.一般来说，高 变（既包含弹性应变也包括塑性应变）超过珠光体的 强钢塑性较差，在疲劳断裂第二阶段不容易出现明显廖庆亮等: 二次带状组织对低合金非调质钢疲劳性能的影响 太清晰的疲劳辉纹或者轮胎花样． 断面上并没有以小 刻面为特征的表面疲劳裂纹源． 6 × 106 次以上循环载 荷断裂的试样，断面特征和 20--S 大致相同． 图 4( d) 是 20--C 在 3 × 105 次断裂试样的断面放大照片． 可以 看到纤维状的断面上分布着 PSB 区、光滑解理区和准 解理区; 纤维区高倍放大后除了韧窝，还可以观察到少 量的疲劳辉纹，如图 4( e) 所示; 光滑解理区放大后能 观察到不太清晰的疲劳辉纹，如图 4( f) ． 35--C 和 35--S 的疲劳断口形貌特征基本一致，具 有疲劳断裂的典型特征． 图 4( g) 是 35--C 试样在经过 6 × 105 次疲劳拉伸循环发生断裂试样的断口裂纹源形 貌，可以看出主要有解理状的小刻面组成; 图 4( h) 是 裂纹扩展区形貌，可以看出裂纹扩展区分布着大量疲 劳辉纹． 裂纹扩展第二阶段占整个断面的一半以上; 图 4( i) 是瞬间断裂区形貌，可以看出呈韧窝状． 图 4 ( j) ～ ( l) 分别是 35--S 试样在经过 6 × 105 次循环载荷 断裂试样的裂纹源、裂纹扩展第二阶段及最后断裂区 形貌． 可以看出断面基本特征和 35--C 一致． 3 分析讨论 3. 1 二次带状组织对疲劳性能的影响 试验结果表明，二次带状组织并没有显著降低材 料的纵向拉伸性能，但是对 DG20Mn 的疲劳性能有显 著的影响． 根据试验结果可知，珠光体相对于铁素体 也属于脆性组织，有着更高的弹性模量［1］． 铁素体相 对于珠光体有着更高的疲劳损伤应变，即在相同的疲 劳应变幅下珠光体更容易发生微观断裂损伤． 在存在 二次带状组织的拉伸试样中，珠光体和铁素体平行排 列． 二次带状组织看成大量长度相等且互相独立互相 平行排列的纤维组成． 纤 维 束 模 型 中 往 往 应 用 Weibull 的强度统计理论，认为固体材料的断裂取决于 局部缺陷而非整体强度［19］． 由于带状组织中，铁素体纤维和珠光体纤维平行 分布，当发生拉应力并产生拉应变时，相互之间具有很 强的独立性，并不能相互协调应变． 珠光体纤维和铁 素体纤维产生相同的应变，由于珠光体条带对循环应 变损伤较为敏感，在高应力循环载荷下很容易在珠光 体处提前产生微观损伤断裂，产生微裂纹和微空洞． 随着循环载荷的不断进行，损伤继续扩大，一方面损伤 微裂纹和微空洞长大并合并成为大裂纹使得应力更加 集中; 另一方面损伤使得有效横截面积减小，有效载荷 加大，产生更大应变，损伤加剧． 大于 106 次循环载荷 断裂试样，疲劳拉应力低于 300 MPa，应变减小( 塑性 应变消失) ，损伤不容易内部产生． 总的来说，20--C 低 周疲劳断裂模型主要是由于带状组织引起的珠光体应 变( 既包含弹性应变也包括塑性应变) 超过珠光体的 疲劳损伤应变引发损伤微裂纹和微空洞的发生． 在无带状组织的材料中由于珠光体和铁素体均匀 分布，当发生循环拉应力时，珠光体和铁素体可以相互 协调应变，使得弹塑性好的铁素体发生更大的应变，强 度高、弹性模量大的珠光体产生更小的应变． 疲劳应 力不变时由于塑性应变使得材料发生强化，继而使得 随后的应变减小，发生应变损伤的概率进一步下降． 35--C 和 35--S 的疲劳性能差距不大． 疲劳断口形 貌显示 35--C 相对 35--S 断裂模式并没有改变． 合金元 素使得 35CrMo 组织已经接近共析，且珠光体片层间 距较大，强度提高同时，塑性降低，容易引发裂纹萌生 扩展，所以 35CrMo 有较低的疲劳极限比． 低的疲劳极 限比使得疲劳最大拉应力远低于屈服强度，产生的应 变远小于疲劳损伤应变，不容易引发损伤裂纹． 另一 方面由于组织接近共析，所以带状组织与基体同属于 珠光体组织，带状组织特征不是很明显，只是碳含量不 同，力学性能差异较小，使得带状组织的疲劳损伤应变 和基体的疲劳损伤应变差别不大，不存在明显的应变 损伤薄弱区． 35CrMo 中的带状组织没有引发疲劳断 裂模式的改变，所以对疲劳性能影响较小． 20--C 的断 裂方式更加符合损伤力学模型． 20--S 和 35CrMo 的断 裂方式则更加符合断裂力学，即单一裂纹表面萌生扩 展最终发生断裂． 断裂力学和损伤力学的示意图如图 5 所示［19］． 图 5 断裂力学( a) 和损伤力学( b) 模型示意图 Fig． 5 Schematic illustration of fracture mechanics ( a) and damage mechanics models ( b) 为了更好地验证以上分析，对断裂试样断口附近 取样，抛光浸蚀后观察表面． 在 20--S 经过 5 × 104 次循 环应力断裂的试样表面观察到萌生于铁素体处的表面 裂纹，如图 6( a) 所示; 在 20--C 经过 4 × 105 次循环载荷 断裂试样表面观察到萌生于珠光体条带处的表面裂 纹，如图 6( b) 所示． 35CrMo 由于强度高且塑性差，裂 纹萌生后，迅速扩展，不容易产生二次裂纹，所以在疲 劳断裂试样的断口附近表面没有发现裂纹． 3. 2 二次带状组织对疲劳断口形貌的影响 疲劳辉纹是疲劳裂纹扩展第二阶段典型微观特 征． 在裂纹扩展第二阶段疲劳最大拉应力小于材料的 屈服强度，裂纹尖端应力集中产生屈服，一条辉纹代表 一次载荷时裂纹尖端的塑性变形［10--11］． 一般来说，高 强钢塑性较差，在疲劳断裂第二阶段不容易出现明显 · 5851 ·