基于紅外熱像顯微觀測技術(shù)的304不銹鋼疲勞性能研究①

易湘斌 梁澤芬 沈建成 羅文翠 白云貴

(1．甘肅省機械裝備先進制造協(xié)同創(chuàng)新中心；2．甘肅省高校綠色切削加工技術(shù)及其應用重點實驗室)

基于紅外熱像顯微觀測技術(shù)的304不銹鋼疲勞性能研究①

易湘斌1,2梁澤芬1,2沈建成1,2羅文翠1,2白云貴1

(1．甘肅省機械裝備先進制造協(xié)同創(chuàng)新中心；2．甘肅省高校綠色切削加工技術(shù)及其應用重點實驗室)

借助紅外熱像儀和遠場視頻顯微鏡研究了304奧氏體不銹鋼應力疲勞的溫度響應與微觀形貌變化規(guī)律，運用掃描電鏡對試件斷口進行微觀分析。研究結(jié)果表明：載荷幅值對試樣表面最大溫升有一定影響，試件表面溫度變化與微觀形貌的演化之間存在相關(guān)性。隨著應力水平的增加，試樣斷口裂紋擴展區(qū)疲勞條帶變窄，瞬斷區(qū)韌窩增多。

304不銹鋼 低周疲勞 應力加載 紅外熱像 斷口分析

隨著高精度紅外熱像儀的普及，人們致力于研究疲勞過程中的熱現(xiàn)象，從能量耗散的角度認識疲勞問題。Rosa G L和Risitano A最早提出一種快速測定材料疲勞極限的熱像法[1]，隨后Fargione G等進一步發(fā)展,從單純測定材料疲勞極限擴展至繪制S-N曲線[2]。姚磊江等系統(tǒng)地研究了循環(huán)過程及循環(huán)內(nèi)疲勞損傷熱能的耗散變化規(guī)律[3]。王凱研究了304不銹鋼高周疲勞過程的溫度場變化，并用Risitano法測得材料的疲勞極限[4]。

由于疲勞過程的生熱是由內(nèi)摩擦和位錯運動引起的原子振蕩產(chǎn)生，應力集中處材料的塑性變形使得顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，引起表面微觀形貌的變化，因此熱耗散和顯微結(jié)構(gòu)演化之間存在一定的關(guān)系。Plekhov O A等建立了循環(huán)塑性變形下能量耗散的熱力學模型，提出了描述儲能和耗散能的本構(gòu)方程[5]。Chrysochoos A和Louche H利用紅外熱像與數(shù)字圖像技術(shù)，通過熱像照片計算材料表面各個點處的應變能與熱耗散量進而得到儲能，用于材料的疲勞評估[6]。

近年來，隨著實驗器件的進步，利用紅外熱像法結(jié)合遠場顯微觀察，研究能量耗散與表面疲勞損傷及微觀結(jié)構(gòu)演化成為可能，這將有助于進一步認識疲勞現(xiàn)象和產(chǎn)生機制，對于設備服役檢測、壽命估算和安全性評價都具有重要的理論和工程意義。國內(nèi)，李娜率先進行關(guān)于表面溫度變化與微觀形貌演化的試驗，通過純銅光滑試件與缺口試件疲勞試驗的研究，發(fā)現(xiàn)二者之間存在著密切的關(guān)聯(lián)[7]。

鑒于對304奧氏體不銹鋼紅外熱像低周疲勞研究的空白，筆者使用高分辨率遠場視頻顯微鏡和紅外熱像儀，組建顯微疲勞試驗系統(tǒng)，進行表面溫度測量，觀察材料表面微觀形貌的變化，利用掃描電鏡對疲勞試樣斷口進行分析，研究不銹鋼疲勞裂紋萌生與擴展過程的內(nèi)在機制。

1 試驗材料及方法

試驗用材料是熱軋304不銹鋼，其屈服強度為206MPa，抗拉強度為569MPa，延伸率71%，化學成分見表1。

表1 304不銹鋼的化學成分 wt%

試樣為光滑板試樣，按照GB/T 3075-2008《金屬材料疲勞實驗軸向力控制方法》設計成中間帶圓弧的形式，試樣厚3mm，如圖1所示，采用線切割進行加工，實驗前用不同目數(shù)的金相砂紙打磨拋光。為增大金屬表面比輻射率，在試樣表面涂上一層發(fā)射率大于0.95的黑色啞光漆。試驗用設備為長春試驗機廠生產(chǎn)的SDS100電液伺服動靜試驗機。

圖1 試驗用板狀疲勞試件結(jié)構(gòu)示意圖

試驗采用應力控制方式，三角波，應力比R=0.1，頻率20Hz，初始環(huán)境溫度24℃。分兩組在250、290、300、310、320MPa應力水平下進行應力控制的軸向拉-拉疲勞試驗。第1組采用FLIR紅外熱像儀(室溫精度0.1℃)記錄，獲得試樣表面熱像圖、標距段溫度和熱像圖。第2組在同樣條件下進行試驗，循環(huán)加載過程中，插入加載頻率為0.1Hz的時間段，期間采用Quesart長焦顯微鏡進行在位連續(xù)觀測，抓取表面形貌的顯微圖像，觀察材料晶粒的變形、裂紋的萌生和擴展現(xiàn)象。

2 試驗結(jié)果

圖2為試件在應力循環(huán)加載過程中的表面熱像圖。可以看出，試樣頸部溫度最高，由中心向兩端逐漸降低，呈梯度分布。為消除環(huán)境溫度的影響，同時采集某時刻試件溫度最高值與環(huán)境溫度，并將二者的差值記錄為表面溫升。

圖2 304不銹鋼試件熱像圖

圖3為304不銹鋼在不同應力疲勞加載過程中的表面溫度隨循環(huán)次數(shù)變化情況，可以看出，所有曲線都表現(xiàn)出表面溫度在循環(huán)初期和末期上升明顯，在循環(huán)穩(wěn)定階段緩慢上升的趨勢。隨著加載應力的增加，表面溫升也快速增加。加載初期，試件局部的塑性變形釋放熱量，此時由于試件與環(huán)境溫差小，對流損失較小，熱耗散大部分用來提升試件溫度；當進入循環(huán)穩(wěn)定階段，達到熱平衡狀態(tài)，溫度變化基本穩(wěn)定；在壽命后期，宏觀裂紋萌生擴展，短時間釋放大量熱量，溫度急劇上升[8]。

圖3 不同載荷下試樣表面溫升變化

圖4為290MPa循環(huán)加載下，Quesart長焦顯微鏡拍攝的不同階段試件表面形貌變化情況。試驗過程中，為了拍攝清晰裂紋，停機時用金相砂紙對試樣表面進行打磨。可以看出，加載前表面比較平整，反射均勻(圖4a)。加載后，表面顏色逐漸暗淡，邊緣出現(xiàn)滑移痕跡，開始有塑性變形現(xiàn)象發(fā)生(圖4b)；隨著循環(huán)周次增加，塑性變形由局部變形發(fā)展為微區(qū)的變形帶(圖4c)；循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加時，塑性變形區(qū)逐漸擴大，表面變得粗糙，已經(jīng)形成隆起和凹坑，輕微打磨后凹坑基本消失(圖4d)；隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加，塑性不斷耗盡，凹坑數(shù)量逐漸增多、擴大(圖4e)；至45 000次，表面形貌出現(xiàn)明顯變化，觀察到孔洞開始相互連接，出現(xiàn)明顯的微裂紋，且呈45°方向生長(圖4f)；隨后，微裂紋快速擴展成宏觀裂紋，直至斷裂(圖4g)。

圖4 290MPa循環(huán)應力加載下試件在不同階段的表面形貌 ×200

對比循環(huán)加載過程中試件表面溫度與形貌特征，認為材料疲勞過程中的熱耗散和顯微結(jié)構(gòu)演化之間有明顯的相關(guān)性。循環(huán)初期，材料內(nèi)部滑移開始產(chǎn)生擠入、擠出現(xiàn)象，表面紋理出現(xiàn)變化，反映在熱像圖上溫度開始上升。隨著試樣應力集中處塑性變形逐漸累積，使得表面開始粗糙不平，形成凸起和凹坑，此階段受到循環(huán)硬化和循環(huán)軟化競爭的作用，溫度出現(xiàn)一定的波動。同時還發(fā)現(xiàn)，此階段溫升與表面形貌變化均相對穩(wěn)定，二者有良好的相似性，此階段持續(xù)的時間幾乎占據(jù)疲勞壽命的絕大部分。隨后宏觀裂紋產(chǎn)生、擴展并迅速斷裂，在熱像圖上表現(xiàn)為短時間內(nèi)試件溫度快速上升。

3 斷口形貌觀察

圖5a為320MPa加載下試樣的疲勞斷口宏觀形貌，可見明顯的疲勞源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)。圖5b為疲勞源區(qū)形貌，疲勞源產(chǎn)生于試件邊緣，裂紋前沿呈波紋狀，呈準解理開裂形態(tài)，由于不斷摩擦擠壓，顯得平整平滑，推測由機加工刀痕產(chǎn)生。圖5c、d分別為290、320MPa加載條件下試件斷口裂紋擴展區(qū)形貌，河流狀條紋內(nèi)分布著亮白色的梳狀隆脊，是裂紋萌生時局部切應力作用形成的細小滑移帶?？梢?，疲勞條帶隨著載荷增大而減小，其原因是由于載荷的增大，導致載荷循環(huán)一次的時間減少，條帶變窄。圖5e、f為290、320MPa加載條件下試件斷口瞬斷區(qū)微觀形貌，可以看到大量聚集型斷裂的典型形貌——韌窩?？梢?，韌窩大小及數(shù)量與加載的應力水平有關(guān), 當應力水平較高時,位錯發(fā)射增多，位錯運動加快，塑性變形加大，形成的韌窩開始增多，深度變大。

圖5 不同應力水平下斷口微觀形貌

4 結(jié)論

4.1紅外熱像法能夠反映疲勞損傷演化過程，但不能清晰描述塑性變形、裂紋萌生和擴展等現(xiàn)象，結(jié)合遠場顯微觀測技術(shù)，一定程度上彌補了紅外熱像法的不足。

4.2表面溫度、微觀形貌間存在關(guān)聯(lián)，均為快速變化、緩慢變化、急劇變化三階段特征。但宏觀溫度與微觀結(jié)構(gòu)間的定量關(guān)系尚需確定，今后可以結(jié)合疲勞裂紋擴展速率測定試驗，研究它與溫升變化的相關(guān)性。

4.3應力集中產(chǎn)生的塑性變形是導致試件溫升的主要原因。限于試驗條件，本次只測量到試件斷裂前若干周次的實時溫度，只反映出溫度上升的趨勢，存在一定誤差。

[1] Rosa G L, Risitano A. Thermographic Methodology for Rapid Determination of the Fatigue Limit of Material and Mechanical Components[J].International Journal of Fatigue,2000,22(1):65～73.

[2] Fargione G,Geraci A, Rosa G L,et al.Rapid Determination of the Fatigue Curve by the Thermo Graphic Method[J]. International Journal of Fatigue,2002,24(1):11～19.

[3] 姚磊江，李斌，童小燕.疲勞過程熱耗散與表面微觀結(jié)構(gòu)演化相關(guān)性的試驗研究[J].西北工業(yè)大學學報，2008，26(2):225～228.

[4] 王凱.基于紅外熱像法的金屬高周疲勞性能研究[D].太原:太原理工大學，2013.

[5] Plekhov O A, Saintier N, Palin L T,et al.Theoretical Analysis,Infrared and Structural Investigations of Energy Dissipation in Metals under Cyclic Loading[J]. Materials Science and Engineering A, 2007, 462(1/2): 367～369.

[6] Chrysochoos A, Louche H. An Infrared Image Processing to Analyse the Calorific Effects Accompanying Strain Localization[J]. International Journal of Engineering Science,2000,38(16):1759～1788.

[7] 李娜.基于能量耗散理論的疲勞試驗研究[D].西安：西北工業(yè)大學，2006.

[8] 曾偉，韓旭，丁樺，等. 基于紅外熱象技術(shù)的金屬材料疲勞性能研究方法[J]. 機械強度，2008，30(4)：658～663.

2017-02-20，

2017-03-23)

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Studyonthe304StainlessSteelFatiguePerformanceBasedontheInfraredThermalImageMicroscopyObservationTechnology

YI Xiang-bin1,2, LIANG Ze-fen1,2,SHEN Jian-cheng1，2, LUO Wen-cui1,2,BAI Yun-gui1

(1.GansuCollaborativeInnovationCenterforMechanicalEquipmentandAdvancedManufacture; 2.KeyLaboratoryofGreenCuttingTechnologyandApplicationofGansuCollegesandUniversities)

In virtue of the infrared thermal imager and far-field video microscope, both temperature response and surface morphology evolution rules of the 304 austenitic stainless steel stress fatigue were investigated and

甘肅省高等學?？蒲许椖?2014A-123，2015A-161)；甘肅省科技計劃資助項目(1606RJYA253)；蘭州工業(yè)學院創(chuàng)新實驗項目(201606)。

易湘斌(1979-)，講師，從事金屬疲勞的教學研究工作，yibin2003@126.com。

TQ050.4+1

A

0254-6094(2017)05-0519-05