金屬表層梯度微結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能和裂紋擴(kuò)展的影響

張永芳，康思凡,，董麗虹，王海斗，底月蘭，李少凡

（1.西安理工大學(xué)，西安 710048；2.陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072；3.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401）

梯度結(jié)構(gòu)材料是從一種結(jié)構(gòu)、組分或相逐漸過渡至另一種結(jié)構(gòu)、組分或相的非均勻結(jié)構(gòu)材料，在金屬中，這些梯度結(jié)構(gòu)包括晶粒尺寸梯度、微觀缺陷梯度、孿晶片層梯度、固溶密度梯度、多相梯度及混合型梯度等。目前大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，梯度結(jié)構(gòu)對(duì)材料的各種力學(xué)性能具有積極影響，例如高強(qiáng)度[1-2]和塑性[3-4]、更好的抗疲勞性[5]和耐磨性[6-7]等，顯著地提升了零件的服役能力。制備表層梯度結(jié)構(gòu)材料的方法也有很多，如滲碳[8-10]、滲氮[11-12]、激光沖擊[13]、研磨[14-15]、噴丸[16]、激光熔覆[17]等，經(jīng)過上述工藝，材料表面產(chǎn)生厚度從幾百納米到幾毫米不等的強(qiáng)化層，縱深方向存在著微結(jié)構(gòu)尺度或金相組織的梯度分布。

眾多研究指向梯度結(jié)構(gòu)的主要特征是組織成分的轉(zhuǎn)變，像表面熱處理技術(shù)會(huì)使金相產(chǎn)生梯度分布，表面機(jī)械加工使晶粒尺寸產(chǎn)生梯度分布，從而使疲勞壽命和疲勞極限得到顯著的提高。另外，力學(xué)性能的改變也是材料表面強(qiáng)化后的重要特征，硬度和強(qiáng)度隨深度的改變尤為明顯，表層殘余應(yīng)力多表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力，壓應(yīng)力的存在抵消了一部分外載荷，提高了材料的疲勞強(qiáng)度[18]。梯度結(jié)構(gòu)中的裂紋擴(kuò)展問題也備受討論。研究表明，裂紋源的萌生位置向梯度結(jié)構(gòu)內(nèi)部轉(zhuǎn)移，微觀組織的梯度分布改變了裂紋的擴(kuò)展速度。另外，循環(huán)塑性區(qū)尺寸的增加使得疲勞裂紋在擴(kuò)展時(shí)趨向閉合。但是在梯度層的縱深方向上，微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能有何關(guān)聯(lián)和規(guī)律，目前還沒有定論。

從微觀機(jī)理層面對(duì)梯度結(jié)構(gòu)進(jìn)行探索，有助于表面強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展，并能給強(qiáng)化工藝帶來參考。本文綜述了金屬表層梯度微結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能和裂紋擴(kuò)展的影響，從微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的角度，結(jié)合非均勻材料中裂紋的擴(kuò)展行為，考慮了微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能之間的相互影響規(guī)律，并分析了梯度結(jié)構(gòu)中影響裂紋擴(kuò)展的因素。

1 梯度微結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響

材料經(jīng)不同方法表面強(qiáng)化后得到的梯度結(jié)構(gòu)各異。按照加工方式的不同，可以將強(qiáng)化方法分為表面熱處理法、機(jī)械加工法和材料預(yù)變形法。利用表面熱處理技術(shù)，可以使金相組織得到轉(zhuǎn)變，形成梯度分布，從而改變材料力學(xué)性能，但該方法產(chǎn)生的梯度結(jié)構(gòu)通常包含多種組織結(jié)構(gòu)的混合型梯度，難以對(duì)梯度結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑過程實(shí)現(xiàn)定量精確控制；利用機(jī)械加工方法，可以使微結(jié)構(gòu)的塑性變形程度隨深度的增加而逐漸減弱，形成從外至內(nèi)的梯度變化結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使材料的疲勞強(qiáng)度得到顯著提高[19-21]；利用預(yù)變形法給材料施加預(yù)扭轉(zhuǎn)變形，使棒狀材料產(chǎn)生沿徑向方向的孿晶密度梯度，可以有效提高金屬的抗疲勞性能[22]。

張?jiān)娂裑23]通過實(shí)驗(yàn)，研究了軸鋼經(jīng)過感應(yīng)淬火處理后，從表面到內(nèi)部存在顯微結(jié)構(gòu)變化的梯度層。結(jié)果表明，這種具有表面梯度層的材料的微觀結(jié)構(gòu)，逐漸從回火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樾≈楣怏w和鐵素體圍繞馬氏體，最后為粗鐵素體和珠光體的混合物。圖1a 顯示了軸鋼試樣在不同深度處的顯微硬度。在距表面0～2 mm 處，硬度平均值保持在580HV，在6 mm 處硬度急劇下降到200HV。殘余應(yīng)力隨淬硬表面深度的變化如圖1b 所示，最大殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)在離表面約1.5 mm 的深度處，在距表面約5 mm 處的壓應(yīng)力變?yōu)榱?。該梯度結(jié)構(gòu)的表面具有高強(qiáng)度和較大的殘余壓應(yīng)力，試樣的顯微硬度和抗拉強(qiáng)度隨深度的增加而減小，殘余應(yīng)力狀態(tài)由高壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力。上述力學(xué)性能的改變和梯度結(jié)構(gòu)中金相組織的轉(zhuǎn)變有關(guān)。

通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，Wang 等[24]研究了中碳鋼S38C 的梯度結(jié)構(gòu)。試樣經(jīng)感應(yīng)淬火處理后，其橫截面的微觀結(jié)構(gòu)形成了從表面到芯部的梯度結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。在距表面0.05 mm 處具有典型的回火馬氏體組織，在2.05～4.05 mm 深度處，珠光體與鐵素體的小區(qū)域逐漸出現(xiàn)在回火馬氏體的菌落中，如圖2d—g 所示。隨著深度的增加，大約增加到4.05～6.05 mm，其顯微組織為珠光體、鐵素體和淬火-回火顯微組織的混合物，見圖2h。在8.05 mm 的深度處，由粗鐵素體和珠光體組成，見圖2i，其微觀結(jié)構(gòu)與基體材料相同。研究結(jié)果顯示，硬度和殘余應(yīng)力的變化與金相的梯度分布呈現(xiàn)明顯的關(guān)聯(lián)，在2.05 mm深度處，回火馬氏體組織中出現(xiàn)少量細(xì)小的珠光體組織，硬度從該深度開始迅速下降，殘余壓應(yīng)力大約從該深度開始停止增大，并隨著金相的改變，殘余壓應(yīng)力逐漸變成殘余拉應(yīng)力。

圖1 顯微硬度及殘余應(yīng)力沿層深的分布[23]Fig.1 Distribution map of microhardness and residual stress along the depth of the layer[23]: a) microhardness; b) residual stress

圖2 S38C 梯度軸鋼表面不同深度處的顯微組織[24]Fig.2 Microstructure of S38C gradient axis steel at different depths[24]

Cao 等[25]對(duì)GCr15 鋼進(jìn)行感應(yīng)淬火處理，以研究微觀結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力對(duì)摩擦學(xué)行為的影響。在20、50、100 N 的不同法向載荷下，使用往復(fù)式平板球式設(shè)備對(duì)淬硬鋼進(jìn)行了干式滑動(dòng)磨損試驗(yàn)，結(jié)果表明，淬火層金相組織呈現(xiàn)梯度分布。通常，硬化層中的壓應(yīng)力對(duì)耐磨性具有顯著的積極影響，而拉應(yīng)力則具有消極影響[26-27]。圖3a、b 表明，淬硬區(qū)（500、2000 μm）的微觀組織由相同的隱晶馬氏體、殘余奧氏體和分散粒狀合金碳化物組成。隨著深度的增加，過渡區(qū)（圖3c）由細(xì)針狀馬氏體、鐵素體和碳化物組成。在深度5000 μm 處，基體的微觀結(jié)構(gòu)（圖3d）包含鐵素體、滲碳體和粒狀合金碳化物。馬氏體和殘余奧氏體的含量隨著深度的增加而減少，而鐵素體含量卻增加。此外，硬化層中碳化物和馬氏體的粒徑隨深度剖面逐漸增大。圖3e 是GCr15 鋼通過感應(yīng)硬化后從表面到基體沿深度剖面的顯微硬度值分布，結(jié)果表明，顯微硬度值從表面到鐵心有較高的硬度梯度分布，從2000 μm深度開始，硬度隨深度的增加而明顯降低。硬度的急劇轉(zhuǎn)變和細(xì)針狀馬氏體、殘余奧氏體的出現(xiàn)有很大關(guān)系，該力學(xué)性能隨金相組織成分含量的梯度變化而轉(zhuǎn)變。

圖3 感應(yīng)硬化GCr15 鋼不同深度處的組織和沿深度剖面的顯微硬度分布[25]Fig.3 Microstructure and microhardness distribution along depth profile of induction hardened GCr15 steel at different depths[25]

表面納米晶化技術(shù)通過在材料表面引入納米/超細(xì)梯度結(jié)構(gòu)層，改善各種金屬和合金的力學(xué)性能。Wang 等[28]運(yùn)用該技術(shù)對(duì)純鈦進(jìn)行處理，試樣截面的光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)如圖4a 所示，呈現(xiàn)出典型的梯度結(jié)構(gòu)，由表向內(nèi)分別是超細(xì)晶粒區(qū)、變形晶粒區(qū)和粗晶區(qū)。TEM 分析表明，表面以下的粗晶粒被細(xì)化為亞微米晶粒，平均尺寸為210 nm，由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，等軸晶內(nèi)部無位錯(cuò)，如圖4b 所示。在距表面50 μm 處，微觀結(jié)構(gòu)主要由亞晶粒組成（圖4c），在深度約200 μm處，觀測(cè)到大量平行變形孿晶（圖4d），仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，雙晶邊界存在彎曲現(xiàn)象，邊界附近存在大量位錯(cuò)堆積，這是位錯(cuò)活動(dòng)導(dǎo)致變形孿晶破碎的典型微觀結(jié)構(gòu)特征[29]。試樣截面的殘余壓應(yīng)力分布如圖4e 所示，表面的最大殘余壓應(yīng)力達(dá)到290 MPa，在距表面深度150 μm 范圍內(nèi)幾乎保持不變，隨著深度的增加，壓應(yīng)力逐漸減小，在深度約800 μm 處，殘余應(yīng)力從壓應(yīng)力過渡到拉應(yīng)力。位錯(cuò)堆積導(dǎo)致的應(yīng)力松弛在很多文獻(xiàn)里都有提及，上述殘余應(yīng)力在縱深方向隨梯度的變化就是由晶粒和位錯(cuò)引起的，這種殘余應(yīng)力的梯度分布方式對(duì)零件的抗疲勞強(qiáng)度具有良性影響。

圖4 表面納米晶化對(duì)純鈦微觀結(jié)構(gòu)與殘余應(yīng)力的影響[28]Fig.4 Effect of surface nanocrystallization on the microstructure and residual stress of pure titanium[28]: a) cross section microstructure of surface titanium nanoparticle; b—d) TEM images of 20, 50 and 200 μm respectively from the surface layer; e) variation of residual stress with depth

上述研究表明，梯度結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能與梯度層的深度有著密切聯(lián)系，硬度和強(qiáng)度隨深度的改變尤為明顯，基本呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，壓應(yīng)力隨深度增加而逐漸減小。經(jīng)過淬火后，表層馬氏體增多，表面硬度增加，隨深度增加，馬氏體和奧氏體含量降低，硬度也隨之降低。殘余應(yīng)力與材料中不均勻的塑性變形密切相關(guān)，在表層梯度微結(jié)構(gòu)材料制備的過程中，存在著沿距表面深度梯度變化的塑性變形，所以不可避免地會(huì)存在殘余應(yīng)力在梯度層內(nèi)的分布，而殘余壓應(yīng)力可以使局部塑性區(qū)變小，應(yīng)力分布更加均勻。

2 裂紋在梯度結(jié)構(gòu)材料中的萌生及擴(kuò)展行為

工程中金屬結(jié)構(gòu)件的失效往往是疲勞失效，疲勞裂紋大多在表面萌生，并在疲勞載荷的作用下發(fā)生擴(kuò)展，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的破壞[30]。表面結(jié)構(gòu)梯度的引入，可以有效提高金屬結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命，因此，探究梯度結(jié)構(gòu)中表面裂紋擴(kuò)展形狀演化規(guī)律備受學(xué)者關(guān)注。在梯度結(jié)構(gòu)材料的斷裂過程中，裂紋的擴(kuò)展很大程度上受到梯度結(jié)構(gòu)微觀缺陷的影響，如在表面強(qiáng)化過程中引起的晶界和發(fā)射位錯(cuò)。此外，梯度結(jié)構(gòu)中微觀組織與力學(xué)性能的相互作用也會(huì)影響裂紋的擴(kuò)展行為。在裂紋擴(kuò)展過程中，當(dāng)裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子超過位錯(cuò)產(chǎn)生的臨界值時(shí)，位錯(cuò)就會(huì)從裂紋尖端發(fā)射出來，并沿滑移面運(yùn)動(dòng)。這些發(fā)射的位錯(cuò)對(duì)裂紋擴(kuò)展行為有兩個(gè)重要的影響：一是裂紋尖端發(fā)射的位錯(cuò)使裂紋尖端變鈍，從而抑制了裂紋的擴(kuò)展；二是發(fā)射位錯(cuò)產(chǎn)生的反應(yīng)力使裂紋尖端附近的應(yīng)力集中松弛，從而降低了局部應(yīng)力強(qiáng)度因子[31-34]。因此，裂紋在梯度結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)展行為較為復(fù)雜，需要從多方位進(jìn)行研究。

2.1 梯度結(jié)構(gòu)材料中裂紋萌生位置

在對(duì)金屬材料疲勞損傷的研究中發(fā)現(xiàn)，疲勞裂紋通常出現(xiàn)在構(gòu)件表面和內(nèi)部，而裂紋萌生位置不同，同種材料表現(xiàn)出來的疲勞性能也不同。因此，研究梯度結(jié)構(gòu)材料的裂紋萌生位置，對(duì)探索梯度結(jié)構(gòu)影響材料疲勞壽命的微觀機(jī)理具有重要意義。

Zhang 等[35]利用顯微鏡實(shí)時(shí)觀察了超聲處理后，純Zr 疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，結(jié)果顯示，經(jīng)超聲噴丸處理后，純Zr 表面晶粒細(xì)化，晶粒的尺寸呈現(xiàn)梯度分布。圖5a 為在循環(huán)加載下的宏觀疲勞斷口形貌，圖5b 是局部放大的I 區(qū)，即疲勞裂紋萌生區(qū)，圖5c是局部放大的Ⅱ區(qū)，為裂紋擴(kuò)展區(qū)，圖5d 是局部放大的Ⅲ區(qū)，為最終斷口區(qū)。與原始樣品相比，表面納米化的純Zr 中的疲勞裂紋主要起源于亞表層，距離表層約100 μm。之所以會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是因?yàn)榧{米晶具有高強(qiáng)度和高硬度，能夠有效地抵抗材料表層的疲勞裂紋，導(dǎo)致疲勞裂紋只能從有缺陷的位置萌生，起始位置主要在表面納米層與變形層的界面處。此外，材料表面納米結(jié)晶層產(chǎn)生了較大的殘余壓應(yīng)力，抑制了表層裂紋的萌生[36-37]。

圖5 經(jīng)超聲處理的純Zr 的疲勞斷口形貌[35]Fig.5 The fatigue fracture morphology of pure Zr treated by ultrasonic treatment[35]: a) the overall fracture morphology;b) the crack initiation area I; c) the crack propagation area II; d) the final fracture areaⅢ

Zhao 等[38]通過沖擊軋制工藝，得到TC11 鈦合金表層的梯度結(jié)晶結(jié)構(gòu)。原始裂紋源均位于表面或近表面區(qū)域，而經(jīng)過處理的裂紋源均明顯位于靠近中心位置，整個(gè)疲勞斷裂階段包括裂紋前階段、穩(wěn)定疲勞裂紋擴(kuò)展階段和最終斷裂階段，而裂紋萌生期占合金材料總疲勞階段的70%～80%。因此，裂紋萌生特性應(yīng)引起重視?？梢钥闯觯性计谠嚇拥牧鸭y都是從表面或次表面開始，并向內(nèi)部區(qū)域擴(kuò)散（圖6a）。對(duì)于位于次表面的疲勞裂紋源區(qū)域，特別是在較高的外循環(huán)荷載作用下，可以明顯觀察到其夾雜物是引起裂紋源的主要原因。而具有梯度結(jié)構(gòu)的試樣，可以看到裂紋源深度有明顯的變化，其疲勞裂紋源從表面或次表面向內(nèi)部靠近中心的位置移動(dòng)（圖6b）。

圖6 試樣疲勞斷口形貌的SEM 觀察[38]Fig.6 SEM observation of fatigue fracture morphology of the sample[38]:a) the untreated sample; b) ultrasonic impact rolling samples

很多研究表明，經(jīng)表面強(qiáng)化后，材料中的疲勞裂紋萌生位置由表層向內(nèi)部移動(dòng)，這是因?yàn)楸韺拥膹?qiáng)化抑制了表面裂紋的萌生，且裂紋萌生位置隨梯度結(jié)構(gòu)深度的變化而變化。

2.2 梯度結(jié)構(gòu)材料中裂紋擴(kuò)展行為

根據(jù)載荷類型的不同，擴(kuò)展裂紋可分為Ⅰ型張開型、Ⅱ型剪切型和Ⅲ型撕裂型，其中Ⅰ型裂紋是工程中最常見且最容易引發(fā)疲勞斷裂的裂紋類型。裂紋擴(kuò)展過程中，多方面因素會(huì)影響裂紋擴(kuò)展速率和擴(kuò)展路徑，尤其是梯度結(jié)構(gòu)材料中的裂紋擴(kuò)展行為更為復(fù)雜。

梯度結(jié)構(gòu)材料中的小裂紋也是裂紋擴(kuò)展的重要部分，其主要原因是裂紋萌生階段和小裂紋擴(kuò)展階段占總疲勞壽命的70%以上[39]。前人的研究表明，在疲勞壽命開始階段，小裂紋的擴(kuò)展受固有微觀結(jié)構(gòu)的影響明顯，與長(zhǎng)裂紋的行為相比，發(fā)生了異常的擴(kuò)展行為[49-41]，因此對(duì)小裂紋擴(kuò)展速率的精確測(cè)量以及對(duì)小裂紋擴(kuò)展機(jī)理的良好理解，對(duì)于可靠地預(yù)測(cè)材料的疲勞壽命非常重要。Okazaki 等[42-43]發(fā)現(xiàn)，一旦304 不銹鋼的小裂紋長(zhǎng)到幾個(gè)晶粒的大小，它們就主要通過應(yīng)變循環(huán)傳播，而大多數(shù)小裂紋在長(zhǎng)到一個(gè)晶粒大小時(shí)就停止了傳播。Deng 等[44]闡明了在不同應(yīng)力水平下304 奧氏體不銹鋼的疲勞裂紋萌生和小裂紋擴(kuò)展機(jī)理，認(rèn)為應(yīng)力水平對(duì)小裂紋擴(kuò)展速率的影響很難通過所測(cè)試的應(yīng)力水平來區(qū)分，晶界可能是裂紋的萌生點(diǎn)，在小裂紋的擴(kuò)展中起著重要作用，一旦表面裂紋長(zhǎng)度達(dá)到0.2 mm 的臨界尺寸，裂紋就會(huì)迅速地傳播，從而導(dǎo)致試樣斷裂。

經(jīng)過表面熱處理后，金相組織的梯度分布對(duì)裂紋的擴(kuò)展速度和擴(kuò)展路徑有很大的影響。這是因?yàn)樘荻冉Y(jié)構(gòu)材料在彈性性能和抗破壞性能方面表現(xiàn)出各向異性，這將強(qiáng)烈影響裂紋的擴(kuò)展，從而影響結(jié)構(gòu)的整體完整性。這種各向異性導(dǎo)致的疲勞裂紋擴(kuò)展行為，受組織成分的影響較大，例如梯度有序性的索氏體組織可以增加材料的韌性，高角度晶界可以阻止裂紋的擴(kuò)展。在梯度結(jié)構(gòu)中，因其組織結(jié)構(gòu)梯度的差異，裂紋從初始裂紋開始改變擴(kuò)展方向，晶內(nèi)針狀鐵素體組織具有優(yōu)越的變形能力，有助于提高裂紋擴(kuò)展能，解理裂紋在穿過不同取向的針狀鐵素體組織時(shí)經(jīng)常發(fā)生偏轉(zhuǎn)[45]，每種金相組織對(duì)裂紋的影響效果不同。因此，金相組織的梯度分布使裂紋擴(kuò)展過程更加復(fù)雜。

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)作為表面強(qiáng)化技術(shù)的一種，已成功地用于延長(zhǎng)關(guān)鍵部件的疲勞壽命。M. Pavan等人[46]發(fā)現(xiàn)激光沖擊噴丸樣品的疲勞壽命約為未噴丸樣品的4 倍，當(dāng)裂紋尖端進(jìn)入噴丸區(qū)域時(shí)，通過激光噴丸處理引入的壓縮殘余應(yīng)力使得疲勞裂紋擴(kuò)展速率急劇下降，從而延長(zhǎng)了整體疲勞壽命。Nikolai等人[47]用同種方式對(duì)AA2024 進(jìn)行處理，顯示疲勞裂紋擴(kuò)展明顯滯后。因?yàn)閴嚎s殘余應(yīng)力的存在引起裂紋閉合效果，這增加了裂紋打開載荷的水平，減小了有效載荷范圍。圖7 所示為疲勞裂紋擴(kuò)展模式的光學(xué)顯微圖，圖7a—c 為AA2024-T351 基體材料的穿晶斷裂破壞形貌，在靠近缺口10 mm 處，疲勞裂紋側(cè)翼之間的距離約為57 μm（圖7a），并隨著裂紋長(zhǎng)度的增加而減小。當(dāng)裂紋長(zhǎng)度為26.5 μm 時(shí)，疲勞裂紋兩翼之間的距離約為15 μm（圖7c）。此外，裂紋的側(cè)翼沒有出現(xiàn)任何由于裂紋閉合而導(dǎo)致塑性變形的機(jī)械接觸跡象。相比之下，激光沖擊強(qiáng)化處理后的試樣疲勞裂紋側(cè)翼與初始缺口之間的距離明顯減小，約為21 μm（圖7d），而在激光沖擊強(qiáng)化處理區(qū)中間，這一距離減小到約15 μm（圖7e）。當(dāng)裂縫長(zhǎng)度為26.6 mm 時(shí)，裂縫側(cè)面距離約為18 μm（圖7f），與基體材料試件的裂縫側(cè)面距離相當(dāng)（圖7c）。在裂紋翼面接觸區(qū)域放大后，可以明顯看到次級(jí)裂紋和裂紋分支（圖7g—i）。在AA2024-T351 基體材料標(biāo)本中未見此現(xiàn)象，所以裂紋側(cè)翼之間的距離變小、裂紋側(cè)翼接觸、二次裂紋和裂紋分叉，是激光沖擊強(qiáng)化引起的殘余應(yīng)力影響疲勞裂紋擴(kuò)展的結(jié)果。

圖7 裂紋擴(kuò)展模式的光學(xué)顯微圖[47]Fig.7 Optical micrograph of crack propagation pattern[47]

綜上所述，當(dāng)裂紋的大小與材料微觀組織的尺度大小相當(dāng)時(shí)，在這種尺度上的裂紋擴(kuò)展通常被認(rèn)為是微觀結(jié)構(gòu)上的小裂紋擴(kuò)展，裂紋往往表現(xiàn)出對(duì)這些主要成分的敏感性，晶界很可能是裂紋萌生的地方，會(huì)影響裂紋擴(kuò)展路徑，晶粒的大小也會(huì)改變裂紋源的位置，當(dāng)表層晶粒細(xì)化時(shí)，裂紋源向亞表層移動(dòng)。材料的變化改變了裂紋擴(kuò)展的形狀，像含有珠光體、鐵素體的鋼裂紋擴(kuò)展形狀為鋸齒狀，該形狀引起的閉合效應(yīng)使裂紋擴(kuò)展閾值升高。另外，梯度結(jié)構(gòu)材料中殘余壓應(yīng)力的存在使得裂紋的寬度減小，并且增加了二次裂紋產(chǎn)生的可能性，使得主裂紋擴(kuò)散減慢。但是，上述哪些因素是影響裂紋擴(kuò)展的主要因素，還需進(jìn)一步討論。

3 梯度結(jié)構(gòu)中影響裂紋擴(kuò)展的因素分析

疲勞裂紋擴(kuò)展行為主要受外部因素（如加載波形、加載頻率、應(yīng)力比、缺陷、殘余應(yīng)力、試驗(yàn)環(huán)境）和內(nèi)部因素（如材料組成、晶粒尺寸、晶粒取向、金相）的影響。梯度結(jié)構(gòu)中的裂紋擴(kuò)展問題遠(yuǎn)比均勻材料中的要復(fù)雜，受到微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的梯度分布的影響，與均勻材料中的裂紋有著根本不同的表現(xiàn)。本文在分析梯度結(jié)構(gòu)中影響裂紋擴(kuò)展的因素時(shí)，主要從殘余應(yīng)力和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮，對(duì)各因素的影響規(guī)律將進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 微觀組織的影響

在分析梯度結(jié)構(gòu)中微觀組織對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響時(shí)，晶粒的尺寸、結(jié)晶學(xué)取向都是重要考慮因素，晶界作為滑動(dòng)或裂紋轉(zhuǎn)移的障礙，也影響著裂紋的擴(kuò)展[48]。另外，梯度結(jié)構(gòu)中微量元素的梯度分布，決定了粘結(jié)相的形成，它們的存在影響裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，因此影響了裂紋的穿透能力和擴(kuò)展速率。

Liu 等[49]采用超聲波表面軋制工藝在17-4PH 試樣上制備了梯度結(jié)構(gòu)層，圖8 顯示了微動(dòng)疲勞（FF）樣品的暗場(chǎng)TEM 圖像和位錯(cuò)密度，由圖看出，與USRP-15 樣品相比，在疲勞源深度為5.3 μm 處，F(xiàn)F樣品的晶粒尺寸分布發(fā)生了變化，平均晶粒尺寸從59 nm 增加到77 nm，且出現(xiàn)了更多不連續(xù)的環(huán)狀圖案，說明在FF 試驗(yàn)后，一些納米顆粒優(yōu)先生長(zhǎng)。同時(shí)，F(xiàn)F 試樣的位錯(cuò)密度降低，如圖8h—j 所示，這與循環(huán)加載和接觸應(yīng)力引起的力學(xué)恢復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶有關(guān)[50]。納米晶粒的生長(zhǎng)和位錯(cuò)密度的降低可以適應(yīng)外部施加的應(yīng)變，并中和FF 期間的任何應(yīng)力集中[51]。邊界的增加減小了位錯(cuò)移動(dòng)的平均自由路徑，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高了裂紋萌生的阻力。同時(shí)，納米晶表面改善了變形的均勻性，這被認(rèn)為增加了裂紋萌生的循環(huán)數(shù)[52]。由于邊界密度的增加，梯度納米晶結(jié)構(gòu)可能對(duì)裂紋擴(kuò)展路徑的曲折性產(chǎn)生積極的影響，這可能與緩慢擴(kuò)展區(qū)的形成有關(guān)，這些都可以延遲裂紋的萌生和擴(kuò)展，提高FF 的壽命。對(duì)于粗晶粒試樣，與梯度納米晶結(jié)構(gòu)相比，存在的晶?；?和邊界較少，導(dǎo)致晶粒中的位錯(cuò)活化更強(qiáng)，容易引起局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋萌生。位錯(cuò)密度降低，可以減小應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以梯度納米晶結(jié)構(gòu)對(duì)微動(dòng)疲勞壽命也存在有利影響。

圖8 超聲滾壓對(duì)17-4PH 晶粒分布及位錯(cuò)密度的影響[49]Fig.8 Effect of ultrasonic rolling on 17-4PH grain distribution and dislocation density[49]

通過高壓滲氮燒結(jié)，Chen 等[53]成功制備了不同Co 含量的雙層功能分級(jí)WC-TiC-Co 膠結(jié)碳化物，形成了從表面到內(nèi)部的梯度組織結(jié)構(gòu)，外層主要由Co和Ti(C,N)組成，是Ti、C、N 之間氮化反應(yīng)的結(jié)果。中間層主要由WC、Co 和TiC 組成，與外層相比，中間層幾乎沒有Ti(C,N)，TiC 較低，WC 較粗，Co含量明顯高于內(nèi)層，并且碳化物的平均晶粒尺寸隨著外層、中間層和內(nèi)部Co 含量的增加而增大。這是由于Co 含量的增加可以促進(jìn)Ti、C 在外層和中間層的擴(kuò)散，形成雙層梯度微觀結(jié)構(gòu)，促進(jìn)Ti(C,N)和WC晶粒的生長(zhǎng)。顯微硬度從外層到中間層逐漸減小，然后在內(nèi)部又逐漸增大。經(jīng)過帕姆奎斯特測(cè)試，梯度功能硬質(zhì)合金外層、中間層和內(nèi)部區(qū)域的裂紋擴(kuò)展路徑如圖9 所示。圖9a 表明，外層的主要裂紋擴(kuò)展為裂紋偏轉(zhuǎn)，它可以吸收扭轉(zhuǎn)過程中的斷裂能。由于Ti(C,N)的韌性遠(yuǎn)低于WC[54-55]，盡管外層Co 含量較高，但與中間層和內(nèi)部相比，其韌性明顯較低。對(duì)比圖9b、c 可知，在中層裂紋擴(kuò)展過程中，較厚的粘結(jié)相被撕裂時(shí)，更容易出現(xiàn)裂紋分支。由于中間層Co含量較高，WC 粒徑較大，中間層Co 的平均自由程明顯大于中間層。Co 的平均自由程較大，可以有效地降低裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，抑制裂紋的穿透和擴(kuò)展[56]，使中間層的韌性明顯高于外層和內(nèi)部層。因此，斷裂韌性由外層向中間層逐漸增大，然后在內(nèi)部逐漸減小。在該梯度結(jié)構(gòu)中，Co 作為主要粘結(jié)劑，促進(jìn)粘結(jié)相的形成，對(duì)裂紋的滲透和擴(kuò)展起到阻礙作用。由于粘結(jié)相的橋接效應(yīng)，裂紋尖端的應(yīng)力集中將通過塑性變形得到解決。因此，裂縫沒有繼續(xù)擴(kuò)大，一旦變形達(dá)到臨界值，裂紋就會(huì)擴(kuò)展。

圖9 帕姆奎斯特試驗(yàn)后裂紋擴(kuò)展路徑的顯微圖[53]Fig.9 Micrograph of crack growth path after Palmquist test[53]; a) outer layer; b) middle layer ; c) interior

梯度結(jié)構(gòu)中裂紋萌生和擴(kuò)展對(duì)晶粒尺寸敏感，隨著晶粒尺寸的減小，裂紋萌生阻力增大。此外，納米晶在循環(huán)加載過程中會(huì)因應(yīng)力而增長(zhǎng)，從而減輕應(yīng)力集中，抑制疲勞裂紋萌生，提高裂紋萌生壽命。表面梯度結(jié)構(gòu)阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和滑移帶的形成，難以在晶界形成更大的應(yīng)力集中，是阻礙裂紋擴(kuò)展的理想屏障。

3.2 殘余應(yīng)力的影響

表面力學(xué)處理產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力可以有效提高抗疲勞性能，在較低應(yīng)力幅值下，裂紋停止是由壓縮殘余應(yīng)力引起的[57-60]。殘余應(yīng)力有很多種，比如可以根據(jù)產(chǎn)生的原因和測(cè)量的方法等來定義，主要分為三種：Ⅰ型宏觀尺度、Ⅱ型晶粒尺度和Ⅲ型原子尺度。Ⅰ型殘余應(yīng)力是宏觀大尺度下連續(xù)分布的自平衡力；Ⅱ型殘余應(yīng)力存在于晶粒之間，這是由于相鄰不同晶向的晶粒的力學(xué)和熱力學(xué)性能不同，從而導(dǎo)致了晶粒間彈塑性和熱膨脹系數(shù)不匹配；位錯(cuò)以及晶格缺陷導(dǎo)致的應(yīng)力場(chǎng)屬于Ⅲ型殘余應(yīng)力。分析梯度結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響，主要從Ⅰ型殘余應(yīng)力尺度進(jìn)行。

Bergant 等[61]研究了不帶保護(hù)涂層的激光沖擊加工（LSP）對(duì)高周疲勞裂紋擴(kuò)展和斷裂韌性的影響，在光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡下比較了未處理和LSP3 試樣的宏觀斷口形貌。圖10a 顯示了具有代表性的未處理試件中相對(duì)線性形狀的裂紋前沿，圖10c 為L(zhǎng)SP3試件的宏觀斷口圖，可以觀察到疲勞裂紋前端的曲率，在疲勞裂紋長(zhǎng)度隨深度增加而增大的過程中，殘余應(yīng)力影響了裂紋的擴(kuò)展。裂紋前緣的曲率可以通過表面殘余壓應(yīng)力作用下裂紋在兩側(cè)的延遲來解釋，相反，殘余拉應(yīng)力有一個(gè)不利的影響，它減少了裂紋閉合的影響。圖10b、d 為斷裂韌性試驗(yàn)中，在接近閾值應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)的疲勞裂紋表面和向斷口過渡的細(xì)節(jié)。在進(jìn)行靜態(tài)斷裂韌性試驗(yàn)時(shí)，表面的斷口顯示典型的韌窩破裂，這是由稱為微空洞合并的過程引起的[62]。分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過LSP 處理的試樣，誘導(dǎo)了近表面壓應(yīng)力，在拉伸殘余應(yīng)力場(chǎng)中疲勞裂紋的擴(kuò)展速度更快，啟動(dòng)疲勞預(yù)裂紋所需的循環(huán)次數(shù)更少，因此在該梯度結(jié)構(gòu)下，殘余壓應(yīng)力是影響裂紋擴(kuò)展速率的主要因素。

圖10 疲勞和斷裂韌性試驗(yàn)后的斷口表面[61]Fig.10 Fracture surface after fatigue and fracture toughness test[61]

Torres 等[63]通過噴丸強(qiáng)化工藝，使AISI 4340 鋼表面形成梯度結(jié)構(gòu)，建立了殘余壓應(yīng)力場(chǎng)?？梢杂^察到一種趨勢(shì)：裂紋源的深度越大，失效前的循環(huán)次數(shù)就越多。當(dāng)裂紋源位于材料表面時(shí)，殘余壓應(yīng)力將裂紋源推至材料表面之下，以防止裂紋在小的表面夾雜產(chǎn)生，從而增加疲勞壽命。Wang 等[24]采用有限元模擬，研究具有殘余壓應(yīng)力的梯度結(jié)構(gòu)中的裂紋擴(kuò)展行為。結(jié)果表明：在裂紋擴(kuò)展開始時(shí)（裂紋長(zhǎng)度約0.7 mm），裂紋長(zhǎng)度較短，殘余壓應(yīng)力水平較低，使得試樣的應(yīng)力值非常接近，但隨著裂紋長(zhǎng)度的增加和殘余壓應(yīng)力的急劇增加，差異變得明顯：當(dāng)裂紋長(zhǎng)度從0.7 mm 增加到3.1 mm 時(shí)，殘余壓應(yīng)力抑制了裂紋長(zhǎng)度的增加，在殘余壓應(yīng)力逐漸減小和裂紋長(zhǎng)度逐漸增大的共同作用下，裂紋從3.9 mm 開始擴(kuò)展，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，擴(kuò)展速度逐漸加快。從裂紋萌生到裂紋擴(kuò)展，殘余壓應(yīng)力都對(duì)其有良性影響，但并不是越大越好。

由此可見，在梯度結(jié)構(gòu)中，晶粒、殘余應(yīng)力、金相組織都對(duì)裂紋擴(kuò)展起到?jīng)Q定性作用。表面強(qiáng)化引起的晶粒細(xì)化使裂紋源轉(zhuǎn)移至亞表層，晶粒邊界的增加減小了位錯(cuò)移動(dòng)的平均自由路徑，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高了裂紋萌生的阻力。對(duì)于殘余應(yīng)力，表面強(qiáng)化所產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力將與機(jī)械載荷產(chǎn)生的外加應(yīng)力相疊加，降低零件的實(shí)際受力，減緩裂紋擴(kuò)展的速度。在表面強(qiáng)化技術(shù)中，滲碳、滲氮和感應(yīng)淬火會(huì)使金相組織發(fā)生改變，不同金相表現(xiàn)出不同的粘結(jié)性，金相梯度的變化對(duì)裂紋擴(kuò)展速率和裂紋分支有很大的影響。當(dāng)然，梯度結(jié)構(gòu)中，其他因素對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響也不容忽視，微觀組織與力學(xué)性能之間本就互相關(guān)聯(lián)，因此對(duì)分析過程帶來很大困難。

4 結(jié)語

表面強(qiáng)化工藝的不同，使獲得的梯度結(jié)構(gòu)各異，厚度從幾百納米到幾毫米不等，金相組織的相變程度也隨工藝條件變化而變化。因此，探究梯度微結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響機(jī)理和規(guī)律，可以對(duì)表面強(qiáng)化技術(shù)形成有益參考。為探究影響機(jī)理，本文結(jié)合了微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能之間的相互影響，以非均質(zhì)材料中裂紋的擴(kuò)展行為為參照，總結(jié)了梯度結(jié)構(gòu)中影響裂紋擴(kuò)展的因素。許多研究表明，經(jīng)表層強(qiáng)化后，零件疲勞性能有所增益，梯度結(jié)構(gòu)中金相組織發(fā)生了由表層典型金相到芯部混合金相的轉(zhuǎn)變，引起表層硬度和殘余壓應(yīng)力向縱深方向逐漸減小，影響裂紋擴(kuò)展路徑和擴(kuò)展速率，如何定量表征它們的影響還有待進(jìn)一步研究。當(dāng)然，梯度結(jié)構(gòu)中還有其他影響因素的作用，暫未形成定論?，F(xiàn)在，許多研究者為預(yù)測(cè)零件中的疲勞失效，通過有限元的手段對(duì)疲勞裂紋的擴(kuò)展行為進(jìn)行模擬，摸清梯度結(jié)構(gòu)中影響裂紋擴(kuò)展的因素和影響規(guī)律，會(huì)對(duì)模擬大有裨益。