第5期王冲等：拉伸与低周疲劳载荷作用下夹杂物特征参数对航空用超高强度钢中裂纹萌生与扩展的影响·561· 493m(图5(g)).继续加载，当N=297582时，试 垂直距离达到约630m,为试样宽度的45% 样断裂.试样断裂前，裂纹长度约为567m,最大开 (图6(h)).继续加载，当N=133006时，试样断 口宽度约为16m(图5(h). 裂. (b) (a) (b) 10 um 10 um 20 um 20m d (c) (d) 10m 10um 20m 20μm (e) (e) () 20m 50m 20m 50μm (g) (h) (g) (h) 100 um 100um 50μm 100m 图5疲劳载荷作用下单个TN夹杂导致裂纹萌生和扩展的微 图6疲劳载荷作用下点链状AN夹杂导致裂纹萌生和扩展的 观行为.(a)N=0(b)N=501;(c)N=80541:(d)N= 微观行为(aN=0(b)N=30000:(cN=107645:(dN= 141494:(e)N=264028:(f0N=295610:(g)N=297298: 112665:(e）N=117660:(DN=129518:(g)N=132558: (h)N=297562 (h)N=132984 Fig.5 Micm-behavior of a TiN incusion during bw cydic fatigue Fig.6 Micro-behavior of a chain of A IN inclusions during low cyclic pmcess9(aN=0:(b)N=501:(c）N=80541:(d)N= fatigue process:(a)N=0;(b)N=30000:(c)N=107645;(d) 141494:(e)N=264028:(f)N=295610:(g)N=297298: W=112665:(e)N=117660:(f)N=129518(g)N= (h)N=297562 132558:(h)W=132984 图6显示了一串总长约为88m的点链状AIN 从实验结果可以看出，对于单个TN夹杂，在 夹杂在疲劳载荷作用下导致裂纹萌生与扩展的微观 疲劳载荷作用下，裂纹也首先萌生于夹杂内部，且与 行为. 外加载荷方向垂直.与拉伸载荷作用下相比，所不 由图6(a)可以看出，加载前点链状夹杂内部没 同的是，在所研究的夹杂物尺寸范围内，无论夹杂有 有裂纹存在.随着循环周次的增加，当N=30000 多大，一个夹杂中也只萌生一条裂纹，裂纹一旦形成 时，在点链状夹杂中部、两夹杂之间的母材中萌生了 便不断向母材扩展，最终导致试样断裂.由于本文 一条垂直于外加载荷方向（外加载荷方向如图6(b) 所研究的材料中，单个AN夹杂的尺寸较小（平均 中双箭头所示)长度约为85m的小裂纹（如 尺寸约为4m),因而未能观察到其导致疲劳裂纹 图6(b)中箭头所示).该裂纹随循环周次的增加不 萌生与扩展的行为 断向点链状夹杂两侧扩展，裂纹所到之处，或者夹杂 对于以点链状形式存在的AN夹杂，在疲劳载 自身开裂，或者夹杂与母材界面脱粘.当N= 荷作用下，裂纹也同样萌生于点链状夹杂内部两夹 107645时，裂纹贯穿夹杂右侧（图6(c)):当N= 杂之间的母材中，裂纹一旦萌生便不断沿点链状夹 112665时，裂纹扩展进入右侧母材（如图6(d)中箭 杂向两侧及母材中扩展，最终导致试样断裂.由此 头所示)：当N=117660时，裂纹扩展进入左侧母材 可见，非金属夹杂物对材料疲劳性能的危害远大于 (图6()).此后随循环周次的进一步增加，裂纹不 对拉伸性能的危害. 断向两侧母材扩展，裂纹长度和开口宽度均不断增 另外，从上述实验结果还可以看出，虽然单个 大.当N=129518时，裂纹长度达到约227m AIN夹杂尺寸较小，对材料疲劳性能危害不大，但这 (图6())：当N=132558时，裂纹扩展方向开始变 些夹杂一旦连成串，就会对材料疲劳性能产生较大 化，不再按照点链状夹杂的长度方向扩展，裂纹两端 危害.表4给出了几个含夹杂试样的疲劳寿命.从 逐渐向下弯曲.此时裂纹长度达到约453m 表4可以看出，含点链状夹杂试样的疲劳寿命比含 (图6(g)；当N=132984时，裂纹左端已扩展至试 单个夹杂的试样短得多：这是由于点链状夹杂的总 样边缘，裂纹长度达到约635m,裂纹两端之间的 长度比单个夹杂的尺寸大得多，它们对材料疲劳性493 μm( 图 5( g) ) .继续加载, 当 N =297 582 时, 试 样断裂.试样断裂前, 裂纹长度约为 567 μm, 最大开 口宽度约为 16 μm( 图 5( h) ) . 图 5 疲劳载荷作用下单个 TiN 夹杂导致裂纹萌生和扩展的微 观行为.( a) N =0;( b ) N =501;( c) N =80 541;( d) N = 141 494;( e) N =264 028;( f) N =295 610;( g) N =297 298; ( h) N =297 562 Fig.5 Micro-behavior of a TiN inclusion during low cyclic f atigue process:( a) N =0;( b) N =501;( c) N =80 541;( d) N = 141 494;( e) N =264 028;( f) N =295 610;( g) N =297 298; ( h) N =297 562 图 6 显示了一串总长约为 88μm 的点链状 AlN 夹杂在疲劳载荷作用下导致裂纹萌生与扩展的微观 行为 . 由图 6( a) 可以看出, 加载前点链状夹杂内部没 有裂纹存在 .随着循环周次的增加, 当 N =30 000 时, 在点链状夹杂中部、两夹杂之间的母材中萌生了 一条垂直于外加载荷方向( 外加载荷方向如图 6( b) 中双箭头所示) 长度约为 8.5 μm 的小裂纹( 如 图 6( b) 中箭头所示) .该裂纹随循环周次的增加不 断向点链状夹杂两侧扩展, 裂纹所到之处, 或者夹杂 自身 开裂, 或者夹杂 与母材 界面脱 粘.当 N = 107 645时, 裂纹贯穿夹杂右侧( 图 6 ( c) ) ;当 N = 112 665时, 裂纹扩展进入右侧母材( 如图 6( d) 中箭 头所示) ;当N =117 660时, 裂纹扩展进入左侧母材 ( 图 6( e) ) .此后随循环周次的进一步增加, 裂纹不 断向两侧母材扩展, 裂纹长度和开口宽度均不断增 大.当 N =129 518 时, 裂纹长度达到约 227 μm ( 图 6( f) ) ;当 N =132 558 时, 裂纹扩展方向开始变 化, 不再按照点链状夹杂的长度方向扩展, 裂纹两端 逐渐向 下弯 曲, 此 时裂 纹长 度达 到约 453 μm ( 图 6( g ) ) ;当 N =132 984 时, 裂纹左端已扩展至试 样边缘, 裂纹长度达到约 635 μm, 裂纹两端之间的 垂直 距离 达到 约 630 μm, 为试 样 宽度 的 45 % ( 图 6( h) ) .继续加载, 当 N =133 006 时, 试样断 裂 . 图 6 疲劳载荷作用下点链状 AlN 夹杂导致裂纹萌生和扩展的 微观行为.( a) N =0;(b) N =30 000;( c) N =107 645;( d) N = 112 665;( e) N =117 660;( f) N =129 518;( g) N =132 558; ( h) N =132 984 Fig.6 Micro-behavior of a chain of AlN inclusions during low cyclic f ati gue process:( a) N =0;( b) N =30000;( c) N =107 645;( d) N =112 665;( e) N =117 660;( f) N =129 518;( g ) N = 132 558;( h) N =132 984 从实验结果可以看出, 对于单个 TiN 夹杂, 在 疲劳载荷作用下, 裂纹也首先萌生于夹杂内部, 且与 外加载荷方向垂直 .与拉伸载荷作用下相比, 所不 同的是, 在所研究的夹杂物尺寸范围内, 无论夹杂有 多大, 一个夹杂中也只萌生一条裂纹, 裂纹一旦形成 便不断向母材扩展, 最终导致试样断裂 .由于本文 所研究的材料中, 单个 AlN 夹杂的尺寸较小( 平均 尺寸约为 4 μm) , 因而未能观察到其导致疲劳裂纹 萌生与扩展的行为 . 对于以点链状形式存在的 AlN 夹杂, 在疲劳载 荷作用下, 裂纹也同样萌生于点链状夹杂内部两夹 杂之间的母材中, 裂纹一旦萌生便不断沿点链状夹 杂向两侧及母材中扩展, 最终导致试样断裂 .由此 可见, 非金属夹杂物对材料疲劳性能的危害远大于 对拉伸性能的危害 . 另外, 从上述实验结果还可以看出, 虽然单个 AlN 夹杂尺寸较小, 对材料疲劳性能危害不大, 但这 些夹杂一旦连成串, 就会对材料疲劳性能产生较大 危害 .表 4 给出了几个含夹杂试样的疲劳寿命.从 表 4 可以看出, 含点链状夹杂试样的疲劳寿命比含 单个夹杂的试样短得多 ;这是由于点链状夹杂的总 长度比单个夹杂的尺寸大得多, 它们对材料疲劳性 第 5 期 王 冲等:拉伸与低周疲劳载荷作用下夹杂物特征参数对航空用超高强度钢中裂纹萌生与扩展的影响 · 561 ·