图2为TRIP钢板和DP钢板经一系列疲劳试验后,根据试验测得的数据用Origin逐点描迹法得到的 S-N曲线对比图,再利用单点法^{[ 3]}求得TRIP800钢的疲劳强度为560 MPa,DP800钢的疲劳强度为490 MPa。由于抗拉强度与疲劳极限成正比例关系,并且利用单点法所测的疲劳极限值精度不高,因而需要进行归一化处理,即应该用疲劳极限与抗拉强度的比值来进行比较。TRIP钢板的疲劳极限与抗拉强度之比高达0.69,明显高于DP钢的0.59。从图2可以看出:与DP钢板相比,TRIP钢板不仅疲劳强度比DP钢板高70 MPa,而且其过载疲劳断裂线也高出50~60 MPa。

图2

Fig.2

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	图2 S-N曲线对比图Fig.2 S-N curves for comparison of two steels

尽管两种钢的抗拉强度相当,且疲劳强度都很高,但是TRIP钢的疲劳性能明显优于DP钢,主要归因于TRIP钢中贝氏体铁素体的存在及残奥发生相变时所带来的TRIP效应产生的强化效果大于DP钢中马氏体的弥散强化效果。

TRIP钢板具有优化配置的多相组织:先共析铁素体+超级贝氏体(贝氏体铁素体+残余奥氏体),即[F+B_SUP(BF+AR)],在疲劳应变过程中残余奥氏体发生相变,释放应力,延迟断裂。TRIP效应改善了高强度钢的疲劳性能,双相钢在进行疲劳拉-拉试验发生变形后,应力集中在基体相铁素体上,第二相马氏体起到弥散强化的作用,如果发生微量变形,运动着的位错滑移到晶界处,将会受到马氏体的阻碍而停止运动,当变形继续增大时,在马氏体强烈的阻碍作用下,晶体产生新的位错或者促使相邻晶粒中的滑移系开动^{[ 4]},故DP钢的疲劳断裂需要吸收的能量相应会提高很多,即DP钢的F+M双相结构对疲劳抗力提高有一定影响。

TRIP800钢的疲劳强度为560 MPa,已经接近其屈服强度 σ_0.2=580 MPa,而普通工业用调质钢的疲劳强度 σ_-1=(0.65~0.7) σ_s。这种现象主要是由于TRIP效应,既有应变诱发马氏体相变后产生的强度的提高,同时伴随体积膨胀,相变中应力的释放,又有应变诱发马氏体相变引起的塑性的提高,所以TRIP钢板在疲劳载荷作用下发生微量塑性变形,导致其强度、塑性同时提高,从而大大地提高了TRIP钢的疲劳强度。这种疲劳应该属于应变疲劳。

TRIP钢疲劳断裂试样(见图3)以及疲劳试样断口的SEM(见图4)的结果表明:TRIP钢板的疲劳裂纹起源于试样受力最大(最窄处)的表面基体(表面划痕、小缺口或蚀坑、粗糙度的客观原因引起的应力集中),这主要是由于表面一侧不受约束,呈平面应力状态,

图3

Fig.3

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	图3 TRIP钢疲劳试样宏观裂纹Fig.3 Macroscopic crack of fatigue specimen

图4

Fig.4

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	图4 TRIP钢基体表面疲劳源断口形貌Fig.4 Fatigue source fracture morphology of the matrix surface

易于屈服,造成疲劳损伤;其次,在拉-拉加载时的偏斜使应力最大值位于钢板最窄处的金属表面^{[ 5]},由于钢板较高的纯净度,并未起源于夹杂物。金属疲劳过程是晶体往复滑移的过程,进行疲劳试验时,疲劳应力最大处会首先发生微量变形,此处的AR因发生TRIP效应而强化抑制了塑性变形继续发生。如果形成疲劳裂纹,在其尖部局部的残余奥氏体转变为马氏体产生了显著的加工硬化,并伴随着相变产生的压应力阻碍了位错的运动,使金属表面难以形成驻留滑移带、挤出脊、侵入沟,从而推迟了疲劳裂纹的扩展,主裂纹上枝生的微裂纹以及前进着的主裂纹遇到残余奥氏体时或被钝化,或者发生转向或分岔^{[ 6]}。这样,为了使疲劳裂纹萌生、扩展以及钢板断裂,需要吸收更多的能量,这种残留奥氏体的形变诱发马氏体相变的高应变速率敏感性^{[ 7]}就大大改善了TRIP钢板的疲劳性能。此外,前进着的裂纹在位错塞积所造成的应力集中处会引伸出二次裂纹,二次裂纹消耗了能量,松弛了应力集中,再遇到残余奥氏体又发生上述的情况,疲劳裂纹如此间断前进,从而降低了其扩展速率,因此TRIP钢板疲劳寿命有所提高。

残余奥氏体转变为马氏体的同时,会析出细小的碳化物颗粒,引起的沉淀强化对位错的运动起着阻碍作用,从而降低裂纹扩展速率,提高钢的疲劳强度。

TRIP钢板具有典型的疲劳断口的3个形貌不同的区域,即疲劳源、疲劳区和瞬断区。

由图3可知,在断口上,疲劳源位于基体承受应力最大处的表面,一般表面裂纹源是由于缺口、表面裂纹或蚀坑等缺陷引起,此处的应力集中引发疲劳裂纹萌生。由图4可以观察到基体表面有典型的裂纹源特征,即一些表面撕裂粘连痕迹,和撕裂后的凸起或凹坑。在靠近裂纹源处(如图5(a)所示)光亮度比较大,主要是因为此处在整个裂纹亚稳扩展过程中,扩展速率最低,扩展循环次数最多,断面不断摩擦挤压,故显示光亮平滑,而且因加工硬化表面硬度也有所提高;此处断口布满了韧窝,属于韧性断裂。

图5

Fig.5

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	图5 TRIP钢疲劳区断口形貌Fig.5 Fracture morphology of fatigue area

在疲劳区(如图5(b)所示)也可以看到有大量大小各不相同的等轴韧窝,图中存在大空洞痕迹(箭头所指),附近韧窝尺寸也比较大,且均为等轴韧窝,说明此处可能有大裂纹源,第二相的形状、大小各不相同而且各区域应力状态也不相同,使得韧窝的大小形状都会有所差异。由于断面承受的是单轴拉伸应力,正应力垂直于微孔的表面,所以能够形成等轴韧窝。另一方面,TRIP钢板较高的纯净度、形变硬化指数值低^{[ 8]}使其相对于一般钢种来说产生的韧窝更大更深。在一些韧窝的底部可以看到有圆形的第二相质点,部分较大的韧窝里面还可以看到较小的韧窝。

疲劳最终都是脆性断裂,由于疲劳应力水平低于屈服强度,所以不管韧性材料或脆性材料在疲劳断裂前均不会发生塑性变形及有形变征兆,损伤长期累积后,裂纹缓慢亚稳扩展到临界尺寸突然发生断裂,如图6(a)所示。在图中可以看到左上部分有明显的脆性断裂的特征,右下部分有大小不一的韧窝存在。此处可能是裂纹疲劳区向瞬断区发展的过渡部位(箭头所指为脆韧交界线),说明试样即将发生失稳断裂。

由图6(b)可以看到光亮凸起的撕裂棱,撕裂棱是由微区塑性变形生成的,相当于塑性材料拉伸时的缩颈,此处为瞬断区断口,比疲劳区粗糙,宏观特征与静载的裂纹件断口一样^{[ 9]}。

图6

Fig.6

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	图6 TRIP钢瞬断区疲劳形貌Fig.6 Fatigue morphology of interruptions area