燒結(jié)316L不銹鋼粉末多孔材料的KIC性能研究

許 飛， 田晨超， 焦 磊

(西北有色金屬研究院 材料分析中心,西安 710016)

斷裂韌度是材料應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值，它表征了材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是衡量材料韌性好壞的一個(gè)定量指標(biāo)[1].斷裂韌度往往受到加載速度、試驗(yàn)溫度、第二相離子或夾雜、晶粒尺寸大小的影響[2].對(duì)于燒結(jié)金屬粉末多孔材料，由于材料中存在大量連通或半連通的孔、封閉的孔，材料的強(qiáng)度、韌性相比致密材料下降很多，雖然當(dāng)裂紋通過(guò)時(shí)孔洞可能會(huì)阻止裂紋在致密基材骨架中的擴(kuò)展，但由于孔的存在實(shí)際上減小了材料的受力面積，材料中已存在的孔可以認(rèn)為是已存在的微裂紋或裂紋，孔的尖角會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，裂紋更利于擴(kuò)展，所以燒結(jié)金屬粉末多孔材料的斷裂韌度會(huì)大幅降低.

1 疲勞裂紋預(yù)制及裂紋的觀察

燒結(jié)316L不銹鋼粉末多孔材料樣品疲勞裂紋的預(yù)制是在長(zhǎng)春仟邦產(chǎn)QBG-50高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的.

圖1 致密316L不銹鋼表面裂紋金相圖×200

圖1是對(duì)致密316L不銹鋼板疲勞裂紋的觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋萌生后，擴(kuò)展過(guò)程中表現(xiàn)為穿晶或沿晶擴(kuò)展.裂紋的萌生一般在晶界處,或者夾雜物與第二相或基體的界面上.

圖2是1 200 ℃燒結(jié)三種孔隙度316L不銹鋼粉末多孔材料裂紋表面的SEM圖.由于材料中存在大量的孔，大部分孔是不規(guī)則形的，角形孔或孔簇較多的地方在載荷作用下，尖角處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中而成為裂紋萌生處，尤其在孔隙率較大的試樣中，這種現(xiàn)象更明顯.發(fā)現(xiàn)裂紋總是沿著燒結(jié)顆粒邊緣、孔隙等結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)擴(kuò)展.

(a) 23.5%孔隙度樣品SEM圖×40

(b) 23.5%孔隙度樣品SEM圖×200

(c) 27.8%孔隙度樣品SEM圖×40

(d) 27.8%孔隙度樣品SEM圖×200

(e) 31.6%孔隙度樣品SEM圖×40

(f) 31.6%孔隙度樣品SEM圖×200

2 孔隙度對(duì)試樣KIC性能的影響

將預(yù)制好裂紋的樣品在Instron 1185試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉斷實(shí)驗(yàn)，拉伸速率0.5 mm/min，采用COD引伸計(jì)記錄位移的變化，記錄的P-V曲線圖如圖3.將拉斷后的試樣用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量其裂紋長(zhǎng)度，共測(cè)5組，最大值和最小值與平均值的偏差應(yīng)在10%以內(nèi)，否則試驗(yàn)無(wú)效.將FQ、B、W等參數(shù)帶入公式(1)計(jì)算材料的KQ值.

(1)

式中：FQ——特定的力值/kN；B——樣品厚度/m；W——有效寬度/m.

試驗(yàn)結(jié)果須同時(shí)滿足Fmax/FQ≤1.10，a≥2.5(KQ/Rp0.2)2的判據(jù)，此時(shí)KIC=KQ.

(a) 1 150 ℃燒結(jié)

(b) 1 200 ℃燒結(jié)

圖4為1 200 ℃燒結(jié)7個(gè)孔隙度下試樣的KIC平均值.雖然隨著孔隙度的升高，樣品的KIC值表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，但并不呈線性下降.孔的存在對(duì)斷裂韌度的影響可以理解為夾雜物與第二相的尺寸及間距的影響.孔的形狀越大，孔與孔之間的間距越小，樣品的斷裂韌度就越低.燒結(jié)316L不銹鋼粉末多孔材料的微觀結(jié)構(gòu)包括晶粒尺寸和形狀、氣孔大小和分布、雜質(zhì)缺陷及晶界等.氣孔為脆性第二相，盡管分布雜亂無(wú)章，但有部分會(huì)沿變形方向分布，降低了材料局部塑性變形能力，使得裂紋更容易擴(kuò)展，從而降低了斷裂韌度.此外，孔的形狀也影響斷裂韌度.球形孔的邊緣呈弧狀，導(dǎo)致應(yīng)力分散；針狀或長(zhǎng)條狀孔的邊緣有些為銳角，它們周圍的應(yīng)力比球形孔的集中，所以球形孔對(duì)斷裂韌度的影響遠(yuǎn)比針狀或長(zhǎng)條狀孔的小[3-4].

1 200 ℃燒結(jié)的316L不銹鋼粉末多孔材料的KIC性能高，這是由于其燒結(jié)頸發(fā)育情況更好.相同燒結(jié)溫度下，燒結(jié)316L不銹鋼粉末多孔材料的KIC性能隨孔隙度的升高而呈下降趨勢(shì)，但斷裂韌度與孔隙度是一種非單調(diào)的函數(shù)關(guān)系[5-6].假定孔為球形且分布均勻，當(dāng)裂紋通過(guò)孔洞時(shí)有可能會(huì)阻止裂紋在基材骨架中的擴(kuò)展，因此除了總孔隙度之外，還應(yīng)考慮孔結(jié)構(gòu)的其他特征量，如孔的大小、孔的形狀、孔的分布等.

3 燒結(jié)溫度對(duì)試樣KIC性能的影響

雖然燒結(jié)316L不銹鋼粉末多孔材料的KIC性能與孔隙度是一種非單調(diào)的函數(shù)關(guān)系，但如圖5燒結(jié)溫度的提高仍顯示出對(duì)斷裂韌度的提升.燒結(jié)溫度的提高會(huì)改善燒結(jié)頸的發(fā)育情況，增強(qiáng)燒結(jié)體的結(jié)合強(qiáng)度，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋形核和擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力小，所以裂紋穿過(guò)晶界擴(kuò)展時(shí)阻力大，擴(kuò)展困難[7].

圖4 1 200℃燒結(jié)溫度下不同孔隙度樣品的KIC性能

圖5 不同燒結(jié)溫度樣品的KIC性能

較低的燒結(jié)溫度會(huì)造成燒結(jié)體發(fā)育不完整，1 150 ℃燒結(jié)樣品燒結(jié)體邊緣不完整，很松散.這相當(dāng)于作為脆性第二相的孔隙沿?zé)Y(jié)體晶界分布較多，在受到往復(fù)作用的載荷時(shí)，裂紋在這些應(yīng)力集中部位萌生，隨著裂紋的萌生，由于多孔材料內(nèi)部分布著大量的孔，使得載荷作用在面積很小的燒結(jié)體上，使燒結(jié)體承受很大的載荷，進(jìn)而影響KIC性能.

4 結(jié)論

采用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)制裂紋，通過(guò)掃描電鏡觀察表面裂紋擴(kuò)展路徑.通過(guò)比較不同孔隙度、不同燒結(jié)溫度下燒結(jié)316L不銹鋼粉末多孔材料的KIC性能，對(duì)其斷裂機(jī)制進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)利用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)在小載荷、高頻率下預(yù)制樣品裂紋操作簡(jiǎn)便、效率高、裂紋兩邊平齊.對(duì)于燒結(jié)316L不銹鋼粉末多孔材料，裂紋在角形孔或孔簇較多的地方萌生，表面裂紋總是沿著燒結(jié)顆粒邊緣、孔隙等結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)擴(kuò)展.

(2)1 200 ℃燒結(jié)的316L不銹鋼粉末多孔材料的KIC性能高，這是由于其燒結(jié)頸發(fā)育情況更好.相同燒結(jié)溫度下，燒結(jié)316L不銹鋼粉末多孔材料的KIC性能隨孔隙度的升高而呈下降趨勢(shì)，但斷裂韌度與孔隙度是一種非單調(diào)的函數(shù)關(guān)系.