工业纯铁和Fe-Cr合金单晶体的单向及循环变形行为研究

摘要

为了丰富人们对体心立方(BCC)结构金属材料力学行为的认识，本论文工作考察了工业纯铁和Fe-35 wt.％ Cr合金单晶体在单向及循环载荷下的塑性变形行为，重点探讨了工业纯铁中预存在的晶界孔洞和Fe-Cr合金单晶体中富Cr颗粒对材料变形及损伤行为的影响，得到如下主要结论。
　　对含晶界孔洞的粗晶工业纯铁在室温和空气的条件下，在不同应变速率下(1.0×10-5 s-1～1.0×10-2 s-1)进行单向拉伸变形测试发现，随着应变速率的增加，屈服强度和抗拉强度正常地增加，但是延伸率却反常地增加。通过与其它出现类似反常现象的材料进行比较分析得出，当前材料的应变速率对延伸率的反常影响与原始材料中预存在的晶界孔洞有关。随着应变速率的增加，晶界孔洞沿着加载方向的延展变形对延伸率的贡献越显著，这可能是引起当前材料反常应变速率和延伸率关系的主要原因。
　　在恒总应变幅控制△εt/2条件下对含晶界孔洞粗晶工业纯铁的疲劳变形行为进行测试表明，其在不同△εt/2下均发生了不同程度的循环硬化现象，无循环饱和阶段出现。疲劳寿命与塑性应变幅△εpl/2的关系基本符合Coffin-Manson法则。循环变形的表面变形特征与外加△εt2具有一定的相关性:随着△εt/2的增加，滑移变形及其导致的挤出侵入现象更为严重，滑移开裂更趋显著;越来越多的原来位于晶界上的微观孔洞发生扭曲变形、聚合、长大而产生裂纹，甚至导致沿晶开裂。疲劳断口均由裂纹源区（脆性的疲劳条纹、二次裂纹以及解理台阶或解理小面）、裂纹扩展区（宽度和扩展方向不同的疲劳条纹）和瞬时断裂区（韧窝）组成。循环变形后的位错结构以位错胞结构为主，在低总应变幅△εt/2=1.0×10-3下发现了驻留滑移带(PSB)类楼梯结构，随着△εt/2的增加，位错胞的尺寸减小。
　　[(1)49]和[014]取向含富Cr沉淀颗粒的Fe-35 wt.％ Cr合金单晶体的单向压缩变形测试表明，其压缩流变特征与晶体取向有关。两者压缩应力-应变曲线都呈现明显的屈服平台，且[014]取向的屈服平台较之[(1)49]要短。随着压缩应变增加到一个临界值之后（[014]取向为～13％，[(1)49]取向为～18％），两种取向晶体的硬化速率都明显降低，但是[014]取向的加工硬化速率比[(1)49]取向下降得更为明显，这主要是由于位错和细小富Cr沉淀颗粒发生相互作用，且作用程度依赖于晶体取向。表面滑移变形特征和微观位错结构特征的观察很好地解释了上述宏观压缩流变行为。
　　在恒△εpl/2控制条件下研究了[(1)49]单滑移取向含富Cr沉淀颗粒的Fe-35 wt.％ Cr合金单晶体的疲劳变形特征。当△εpl/2≥2.5×10-3时，由于运动的位错易切过细小富Cr沉淀颗粒，导致在循环刚开始第一周的拉伸阶段就出现了明显的应力软化现象，并接着在疲劳早期阶段表现出轻微循环软化现象。而且，晶体在循环过程中表现出一定程度的拉-压应力不对称性，这种增强的应力不对称性与细小富Cr沉淀颗粒的变形不稳定性有关。由大量细小滑移线聚集而成的粗滑移带以及高应变幅下形成的扭折带是该晶体主要的滑移变形特征。主裂纹大致沿主滑移面((1)01)发展并最终沿此开裂，同时伴随有一些形态各异的二次裂纹在表面萌生。微观结构观察发现，在低应变幅(△εpl/2=5.0×10-4)下就有PSB楼梯结构形成，其体积分数随△εpl/2的增大而增加，当△εpl/2增大到5.0×10-3时，位错胞结构成为其主要微观位错结构特征。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 BCC金属晶体变形的相关基础理论

1．2．1 BCC晶体中的位错

1．2．2 BCC晶体中的滑移系

1．2．3 BCC金属的循环应力-应变行为

1．2．4 FCC和BCC金属晶体疲劳响应的不同特点

1．3 工业纯铁性能与研究现状

1．4 Fe-Cr合金单晶体的研究现状

1．5 本论文的研究目的和内容

1．5．1 本论文的研究目的

1．5．2 本论文的研究内容

第2章 实验方法

2．1 样品制备

2．1．1 Fe-Cr合金单晶体的制备

2．1．2 力学实验样品的制备

2．2 力学性能实验

2．2．1 工业纯铁的力学测试

2．2．2 Fe-Cr合金单晶体的力学测试

2．3 初始微观结构的观察

2．4 表面和断口变形特征的观察

2．5 微观结构的观察

第3章 含晶界孔洞工业纯铁的单向拉伸与循环变形行为

3．1 显微组织结构

3．2 单向拉伸变形及损伤行为

3．2．1 拉伸力学性能与应变速率的关系

3．2．2 表面变形特征分析

3．2．3 应变速率对延伸率反常影响关系的分析

3．3 循环变形及损伤行为

3．3．1 循环应力-应变行为

3．3．2 塑性应变幅与疲劳寿命的关系

3．3．3 表面变形特征分析

3．3．4 断口表面变形特征分析

3．3．5 微观位错结构特征分析

3．4 本章小结

第4章 含富Cr沉淀颗粒Fe-Cr合金单晶体的单向压缩与循环变形特征

4．1 单晶体中的富Cr沉淀颗粒

4．2 富Cr沉淀颗粒的形变不稳定性分析

4．3 单向压缩变形行为

4．3．1 工程应力-应变曲线

4．3．2 表面变形特征

4．3．3 微观位错结构

4．4 循环变形行为

4．4．1 循环响应行为

4．4．2 表面变形及损伤特征

4．4．3 微观位错结构

4．5 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的会议