316L-2Cr13 多層不銹鋼復(fù)合板相對(duì)于全馬氏體/奧氏體多層鋼疲勞性能的提升

周鑫, 馬景平, 蔣小霞, 曹睿*, 閆英杰

(1.蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730050；3.寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，銀川 750021)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)單一金屬或合金已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)及某些特定工況環(huán)境對(duì)材料綜合性能的要求。尤其是滿足高強(qiáng)度、高韌性等其他性能條件的材料，傳統(tǒng)單一組元金屬已經(jīng)很難滿足實(shí)際應(yīng)用[1-2]，復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。相對(duì)于傳統(tǒng)的單一組元金屬而言，復(fù)合材料可以結(jié)合兩種或兩種以上材料性能的優(yōu)勢(shì)。將優(yōu)勢(shì)綜合在一起，取長(zhǎng)補(bǔ)短，還可以大大節(jié)約成本，打破單一材料的瓶頸，發(fā)揮自身的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。

復(fù)合材料在當(dāng)今乃至以后的發(fā)展與應(yīng)用中具有很大的潛力。多層不銹鋼復(fù)合板作為一種典型的復(fù)合材料，性能具有明顯的優(yōu)勢(shì)：例如馬氏體不銹鋼具有很高的強(qiáng)度但塑性較差，奧氏體不銹鋼有很高的延展性但是強(qiáng)度較低，這都限制了在實(shí)際中的應(yīng)用，但是將這兩種性能差距巨大的鋼通過(guò)某種結(jié)合方式結(jié)合到一起會(huì)得到性能出色的高強(qiáng)高韌鋼[3-5]。獲得復(fù)合板材的方法有很多，各種技術(shù)中，累積疊軋(ARB)方法得到了廣泛的應(yīng)用。由于多層不銹鋼復(fù)合板出色的性能，馬氏體/奧氏體不銹鋼復(fù)合板材可以廣泛地應(yīng)用到石油化工、海洋船舶、醫(yī)療器械、五金刀具等全方位、多領(lǐng)域的實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)與生活應(yīng)用中。

疲勞是材料結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的失效模式之一，大多數(shù)是在無(wú)預(yù)警且不可預(yù)測(cè)的情況下發(fā)生，損傷嚴(yán)重，造成嚴(yán)重的后果。對(duì)于應(yīng)用如此廣泛的多層不銹鋼復(fù)合板，復(fù)合板的疲勞性能是設(shè)計(jì)生產(chǎn)應(yīng)用的一項(xiàng)重要指標(biāo)。但是當(dāng)前對(duì)于多層不銹鋼復(fù)合板的研究主要集中在靜態(tài)力學(xué)性能及其影響因素等方面。很多學(xué)者研究了軋制溫度、壓下量、熱處理方式對(duì)復(fù)合板力學(xué)性能的影響：發(fā)現(xiàn)隨著軋制溫度的升高，馬氏體不銹鋼(2Cr13)-奧氏體不銹鋼(316L)復(fù)合板抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，當(dāng)軋制溫度為1 130℃、1 180℃，壓下量達(dá)到81%左右時(shí)，復(fù)合板不僅具備較高的強(qiáng)度且塑性良好[6]。余偉等[7]研究了軋制溫度在840～930℃下鈦鋁合金(TA1)-低合金鋼(Q345)復(fù)合板的剪切強(qiáng)度，分析對(duì)比溫度較高或較低的復(fù)合板性能的差別。除此之外，隨著壓下量的增加，界面結(jié)合強(qiáng)度增加，復(fù)合板的強(qiáng)度和塑性也較高[8]。陳靖等[9]通過(guò)對(duì)壓下率和軋制溫度的試驗(yàn)研究，分析了熱軋滲氮鋼(25Cr5MoA)-碳素結(jié)構(gòu)鋼(Q235)復(fù)合板的結(jié)合性能和界面的元素?cái)U(kuò)散的規(guī)律，壓下量越大，細(xì)化晶粒作用越明顯，對(duì)力學(xué)性能有著較大的提升。復(fù)合板經(jīng)過(guò)熱處理后，界面兩側(cè)的主要元素在濃度梯度和強(qiáng)大軋制力的作用下開始相互擴(kuò)散至界面的另一側(cè)，材料的界面結(jié)合強(qiáng)度增加，界面處出現(xiàn)奧氏體/馬氏體共用晶?，F(xiàn)象[10]。對(duì)于復(fù)合板的性能影響因素還有很多：李龍等[11]在關(guān)于304 奧氏體不銹鋼和Q345 軋制復(fù)合的研究中發(fā)現(xiàn)，界面的氧化隨著真空度的降低越來(lái)越嚴(yán)重，真空度接近20 Pa 時(shí)，氧化物比例可達(dá)到50%，嚴(yán)重影響到界面的剪切強(qiáng)度。除此之外，金屬表面粗糙度對(duì)軋制過(guò)程中界面結(jié)合也會(huì)有較重要的影響[12]。

多層鋼的研究更多的主要集中在多層鋼的制備、力學(xué)性能及其影響因素等方面，而在關(guān)于疲勞性能方面，研究十分匱乏。更多關(guān)于疲勞性能的研究主要集中在單組元金屬材料中[13-15]。對(duì)于應(yīng)用十分廣泛的不銹鋼復(fù)合板，疲勞性能研究的需求較迫切。本文以?shī)W氏體不銹鋼316L、馬氏體不銹鋼2Cr13 為原材料，通過(guò)軋制獲得復(fù)合板。為了方便比較，以同樣的軋制工藝制備了全316L與全2Cr13 多層鋼，研究復(fù)合材料相對(duì)于單一金屬材料疲勞性能的提升。通過(guò)掃描電子顯微鏡、拉伸及高周疲勞實(shí)驗(yàn)對(duì)材料的組織、力學(xué)性能、斷口特征進(jìn)行分析與比較，總結(jié)并確定多層不銹鋼復(fù)合板在疲勞性能方面的巨大優(yōu)勢(shì)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料與試樣制備

選用1 mm 厚的固溶態(tài)奧氏體不銹鋼316L 與退火態(tài)馬氏體不銹鋼2Cr13 作為原材料，具體化學(xué)成分與力學(xué)性能如表1 和圖1(a)～1(b)所示，通過(guò)累計(jì)疊軋(ARB)方法獲得多層不銹鋼復(fù)合板。在軋制前，為了表面易于結(jié)合，增加界面之間的摩擦力，需要用鋼絲刷去除不銹鋼表面的氧化皮，并用酒精清洗。具體的軋制過(guò)程如圖1(c)所示，316L 與2Cr13 交替排列，總共17 層，最外層為316L，得到組坯。用虎鉗將組坯緊緊的固定，盡可能將板材之間的空氣排盡。采用鎢極氬弧焊(TIG 焊)的方法將組坯四周焊接密封，焊接電壓為10 V，焊接電流為100 A。后加熱至1 130℃，軋制順序與道次為7 道次。軋機(jī)速率為0.5 m/s，每道次的壓下量分別為30%、31%、30%、27%、27%、30%、33%，實(shí)際厚度為16.5 mm、11.6 mm、8 mm、5.6 mm、4.1 mm、3 mm、2.1 mm、1.4 mm，由于軋制過(guò)程的反彈效應(yīng)，最終厚度為3.5 mm，隨后進(jìn)行風(fēng)冷。為了與之對(duì)比，制備了由17 層全奧氏體鋼或17 層全馬氏體鋼所構(gòu)成的多層鋼，軋制工藝與上述相同，材料編號(hào)如表2 所示。獲得材料后，采用機(jī)械拋光后用稀釋的王水(體積比為HNO3∶HCl∶H2O=1∶3∶3)腐蝕30 s，得到材料的組織形貌。如圖2 所示，可觀察到界面結(jié)合良好，未出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

圖1 軋制前原材料力學(xué)性能與多層鋼軋制過(guò)程：(a) 固溶態(tài)316L；(b) 退火態(tài)2Cr13；(c) 多層鋼軋制過(guò)程Fig.1 Mechanical properties of raw materials before rolling and rolling process of multilayer steel:(a) Solid solution 316L; (b) As-annealed 2Cr13;(c) Rolling process of multilayer steel

圖2 3 種多層鋼的宏觀組織形貌：(a) 316L-2Cr13 多層鋼；(b) 全316L 多層鋼；(c) 全2Cr13 多層鋼Fig.2 Macro microstructure morphologies of three kinds of multilayer steels:(a) 316L-2Cr13 multilayer steel;(b) All 316L multilayer steel; (c) All 2Cr13 multilayer steel

表2 具體軋制工藝Table 2 Specific rolling process

1.2 拉伸與高周疲勞試驗(yàn)

在疲勞實(shí)驗(yàn)中，試樣表面的處理十分重要，任何劃痕或者加工痕跡都有可能成為疲勞起裂源，從而造成裂紋的快速擴(kuò)展，疲勞壽命也會(huì)降低。本文按照《金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向力控制方法》(GB/T 3075-2021)[16]對(duì)試樣進(jìn)行加工，利用線切割的加工方法將試件加工為如圖3 所示形狀。對(duì)整個(gè)試樣進(jìn)行至3.25 μm 的砂紙研磨，并進(jìn)行拋光，以去除試樣表面對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖3 多層鋼拉伸和疲勞試樣尺寸Fig.3 Tensile and fatigue specimen dimensions of multilayer steel

拉伸實(shí)驗(yàn)與高周疲勞實(shí)驗(yàn)所用試樣如圖3 所示，實(shí)驗(yàn)在英斯特朗INSTRON 8801 疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率通過(guò)室溫拉伸試驗(yàn)測(cè)量，應(yīng)變速率為0.5 mm/min。高周疲勞測(cè)試在應(yīng)力比為0.1、頻率為30 Hz 的條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)SEM 觀察斷口形貌。

1.3 應(yīng)力-壽命(S-N)曲線的擬合

采取成組法與升降法相結(jié)合的方式進(jìn)行S-N 曲線的測(cè)定，按照《金屬材料疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方案與分析方法》(GB/T 24176-2009)[17]對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。成組法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中，由于疲勞數(shù)據(jù)分散性較大，且軋制獲得的多層鋼組織不均勻，會(huì)更加突出這個(gè)現(xiàn)象，因此應(yīng)多取試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)應(yīng)力級(jí)別取3～5 個(gè)試樣，且最終選擇5 個(gè)應(yīng)力臺(tái)階。在用升降法計(jì)算疲勞極限時(shí)，需要多個(gè)試樣進(jìn)行3～4 個(gè)應(yīng)力級(jí)別的實(shí)驗(yàn)。試樣越多，計(jì)算得到的疲勞極限越準(zhǔn)確。具體計(jì)算過(guò)程如下所示：

使用最小二乘法對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行線性關(guān)系的擬合，應(yīng)力(S)與壽命(Nf)的關(guān)系如下：

式中：x=lgNf；y=lgS；和是計(jì)算得到樣本數(shù)據(jù)的平均值；n為 樣本數(shù)目；a、b為常數(shù)。疲勞極限的計(jì)算如下式所示：

2 結(jié)果與討論

2.1 多層鋼的組織形貌

圖4 為多層鋼的微觀組織形貌圖。在圖4(a)316L-2Cr13 多層鋼中，可以觀察到明顯的軋制態(tài)組織，其中316L 層主要由奧氏體組成，而2Cr13層主要由馬氏體、鐵素體組成。圖4(b)、圖4(c)也能觀察到相同的相組成，且在全316 L 多層鋼中可以觀察到滑移帶的存在。

圖4 多層鋼的組織形貌：(a) 316L-2Cr13 多層鋼；(b) 全316L 多層鋼；(c) 全2Cr13 多層鋼Fig.4 Microstructures of multilayer steel:(a) 316L-2Cr13 multilayer steel; (b) All 316L multilayer steel; (c) All 2Cr13 multilayer steel

2.2 多層鋼的拉伸性能比較

圖5(a)是具有不同材料成分的多層鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖5(b)為每種材料3 個(gè)試樣的平均抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率對(duì)比柱狀圖。每個(gè)試樣具體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5(c)～5(e)所示。其中316L-2Cr13 多層鋼平均抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率分別為1 147 MPa、743 MPa、23%；全316L分別為685 MPa、531 MPa、64%；全2Cr13 分別為1 939 MPa、1 139 MPa、13%。在所有軋制工藝及過(guò)程相同的前提下，相比于由全奧氏體不銹鋼316L 或全馬氏體不銹鋼2Cr13 組成的多層鋼，由316L 和2Cr13 組成的多層不銹鋼復(fù)合板的力學(xué)性能更加優(yōu)越。即軋制后可以顯著提高脆性材料的塑性。它可以結(jié)合兩種材料的優(yōu)勢(shì)，不僅具有較高的強(qiáng)度，而且塑性(延伸率)也較好。

圖5 (a) 不同材料組成下多層鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b) 平均抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率對(duì)比；((c)～(e)) 每種試樣的具體應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 (a) Stress-strain curves of multilayer steel under different material compositions; (b) Comparison of average tensile strength, yield strength and elongation; ((c)-(e)) Specific stress-strain curves of each sample

2.3 多層鋼的疲勞性能比較

2.3.1 多層鋼疲勞強(qiáng)度的計(jì)算

通過(guò)升降法對(duì)多層鋼的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。疲勞壽命以107為越過(guò)，未到107為失效，疲勞極限根據(jù)式(4)計(jì)算，圖6 中縱坐標(biāo)為循環(huán)載荷中力的最大值，最后所得結(jié)果轉(zhuǎn)化為應(yīng)力幅。疲勞強(qiáng)度通過(guò)升降法計(jì)算可得：316L-2Cr13、全316L、全2Cr13 多層鋼疲勞強(qiáng)度分別為286 MPa、247 MPa、245 MPa。

圖6 疲勞試驗(yàn)載荷升降圖：(a) 316L-2Cr13 多層鋼；(b) 全316L 多層鋼；(c) 全2Cr13 多層鋼Fig.6 Fatigue test load up and down diagram:(a) 316L-2Cr13 multilayer steel; (b) All 316L multilayer steel; (c) All 2Cr13 multilayer steel

2.3.2 不同材料組成下多層鋼S-N 曲線的對(duì)比

通過(guò)成組法與升降法相結(jié)合的方式繪制出材料的S-N 曲線，將同種軋制工藝、不同材料組成的多層鋼的S-N 曲線繪制于同一坐標(biāo)系中，如圖7所示?？傻糜捎谲堉茟B(tài)組織的不均勻性導(dǎo)致疲勞數(shù)據(jù)較分散，且316L-2Cr13 多層不銹鋼復(fù)合板的疲勞性能明顯優(yōu)于全316L 多層鋼、全2Cr13 多層鋼。316L-2Cr13 多層不銹鋼復(fù)合板疲勞極限可達(dá)286 MPa，而全奧氏體鋼與全馬氏體鋼的疲勞極限雖相差不多，但在具體的不同應(yīng)力水平中卻有著較大差異(曲線斜率相差巨大)。由圖5(b)中抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度可得，由于全2Cr13 多層鋼的強(qiáng)度較高，因此在高應(yīng)力水平下，如最大應(yīng)力為750 MPa 時(shí)表現(xiàn)出更優(yōu)越的疲勞性能，甚至優(yōu)于316L-2Cr13 試樣。隨著應(yīng)力水平的降低，最大應(yīng)力逐漸低于316L-2Cr13 多層鋼的屈服強(qiáng)度，316L-2Cr13 多層不銹鋼復(fù)合板疲勞性能的優(yōu)勢(shì)逐漸顯示，且性能較穩(wěn)定。這是由于316L-2Cr13 多層不銹鋼復(fù)合板良好的塑性阻礙了疲勞裂紋的擴(kuò)展。在較低的應(yīng)力水平中，由于循環(huán)載荷中最大應(yīng)力低于3 種材料的屈服強(qiáng)度，疲勞壽命皆能達(dá)到107。雖然全奧氏體鋼強(qiáng)度遠(yuǎn)低于全馬氏體鋼，但由于全奧氏體鋼優(yōu)異的塑性，在循環(huán)載荷的加載過(guò)程中出現(xiàn)明顯的塑性變形過(guò)程，對(duì)裂紋的擴(kuò)展具有阻礙作用。而全馬氏體鋼硬而脆，一旦在疲勞過(guò)程中出現(xiàn)應(yīng)力集中，裂紋迅速擴(kuò)展貫穿，失穩(wěn)斷裂，因此在較低應(yīng)力水平下，全馬氏體鋼疲勞性能不穩(wěn)定導(dǎo)致二者疲勞強(qiáng)度相差不多。綜上所述，316L-2Cr13 多層不銹鋼復(fù)合板擁有著最優(yōu)異的疲勞性能，綜合了兩種材料的優(yōu)點(diǎn)。在高應(yīng)力水平下，由于2Cr13 層提供的較高的強(qiáng)度防止試樣開裂；在低應(yīng)力水平下316L 層所提供的較好的塑性阻礙裂紋的擴(kuò)展。綜合起來(lái)，材料疲勞性能有了較大的提升。

圖7 不同材料組成下多層鋼應(yīng)力-壽命(S-N)曲線對(duì)比Fig.7 Comparison of stress-life (S-N) curves of multilayer steel with different material compositions

通過(guò)S-N 曲線的擬合方法，可以得到不同材料的疲勞強(qiáng)度系數(shù)與指數(shù)如表3 所示。

表3 材料的基本力學(xué)性能和Basquin 方程中的疲勞強(qiáng)度系數(shù)與指數(shù)Table 3 Basic mechanical properties of materials and fatigue strength coefficient and index in Basquin equation

2.3.3 熱處理對(duì)316L-2Cr13 多層鋼疲勞性能的影響

上述研究總結(jié)出軋制態(tài)316L-2Cr13 多層鋼的的疲勞性能相對(duì)于全316L 或2Cr13 多層鋼疲勞性能有了明顯的提升。通過(guò)軋制得到復(fù)合板后，通常會(huì)進(jìn)行熱處理，選用了1 050℃，保溫5 min，空冷的熱處理工藝，分析總結(jié)了熱處理對(duì)316L-2Cr13 多層鋼力學(xué)性能的影響。如圖8 所示，圖8(a)是熱處理前后316L-2Cr13 多層鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比。發(fā)現(xiàn)通過(guò)熱處理后，加工硬化效應(yīng)得到改善、殘余應(yīng)力釋放，材料的塑性有了大幅的提升。此時(shí)，316L-2Cr13 多層鋼即擁有較高的強(qiáng)度，塑性同樣優(yōu)異。圖8(b)是熱處理前后316L-2Cr13 多層鋼的S-N 曲線對(duì)比。由于軋制過(guò)程會(huì)對(duì)材料表面有一定的硬化作用，可以防止疲勞裂紋的萌生[13]。且殘余壓應(yīng)力對(duì)材料的疲勞性能有貢獻(xiàn)作用。除此之外，拉伸強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度通常呈正比[18]，因此經(jīng)過(guò)熱處理后，316L-2Cr13 多層鋼疲勞性能會(huì)有所降低。

圖8 熱處理前后316L-2Cr13 多層不銹鋼性能對(duì)比：(a) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b) S-N 曲線Fig.8 Performance comparison of 316L-2Cr13 multilayer steel before and after heat treatment:(a) Stress-strain curves; (b) S-N curves

2.4 多層鋼的疲勞斷口形貌與斷裂機(jī)制

2.4.1 316L-2Cr13 多層鋼

316L-2Cr13 多層鋼的疲勞斷口如圖9 所示，從斷口宏觀形貌可以將斷口分為3 個(gè)區(qū)域：起裂源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)。從宏觀形貌看出，兩種層的斷裂方式是截然不同的，馬氏體層斷面較平坦，而奧氏體層斷面粗糙。從圖9(b)可看出裂紋起裂于試樣邊緣，且起裂源區(qū)通常在脆性層2Cr13 層中，這是由于板狀試樣在疲勞過(guò)程中邊緣處更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，這與文獻(xiàn)[19]報(bào)道相同。且2Cr13 層中脆性相更加容易產(chǎn)生裂紋成為起裂源。圖9(c)～9(g)為316L/2Cr13 多層鋼的裂紋擴(kuò)展區(qū)放大圖。在裂紋擴(kuò)展初期：圖9(c)～9(e)可看出2Cr13 層為較明顯的脆性穿晶斷裂，而316L層中則有更明顯的韌斷特征，出現(xiàn)大量的疲勞輝紋，疲勞輝紋與裂紋擴(kuò)展方向垂直。這是由于循環(huán)載荷加載過(guò)程中，出現(xiàn)大量塑性變形所留痕跡，且疲勞輝紋相對(duì)于裂紋源的方位呈凸起狀，證明316L 層對(duì)裂紋的擴(kuò)展具有阻礙作用。在2Cr13層中，雖然以穿晶斷裂為主，但也可觀察到少量疲勞輝紋如圖9(e)所示，這主要由2Cr13 層中存在的鐵素體所致。除此之外，界面處無(wú)明顯分層現(xiàn)象，證明經(jīng)過(guò)軋制得到的多層鋼界面結(jié)合良好。在裂紋擴(kuò)展后期：圖9(f)～圖9(h)，316L 層中存在大量的疲勞輝紋，撕裂脊與疲勞輝紋共存，且隨著裂紋的擴(kuò)展逐漸到瞬斷區(qū)附近，疲勞輝紋中逐漸產(chǎn)生韌窩，而2Cr13 層逐漸演變?yōu)榇髩K的解理面，解理面中有明顯的河流花樣。圖9(i)為316L-2Cr13多層鋼的瞬斷區(qū)。在瞬斷區(qū)中，316L 由大量的韌窩構(gòu)成，而2Cr13 則為典型的脆性解理斷裂，中間由剪切韌窩相連接。這是由于在發(fā)生斷裂時(shí)，脆性層2Cr13 先行斷裂，但316L 層由于較好的塑性斷裂較緩慢，層之間產(chǎn)生剪切應(yīng)力，出現(xiàn)剪切韌窩。

圖9 316L-2Cr13 多層不銹鋼復(fù)合板疲勞斷口形貌Fig.9 Fatigue fracture morphologies of 316L-2Cr13 multilayer steel

2.4.2 全316L 多層鋼

圖10 為全316L 多層鋼疲勞斷口形貌。從圖10(a)宏觀形貌可以看出裂紋從試樣拐角處起裂，沿著試樣對(duì)角線呈放射狀擴(kuò)展。同樣對(duì)于板狀試樣來(lái)說(shuō)，拐角處同樣易發(fā)生應(yīng)力集中，同時(shí)由于全316L 多層鋼優(yōu)異的塑性，可以觀察到明顯的頸縮現(xiàn)象。圖10(b)為起裂源附近的斷口微觀形貌?？梢园l(fā)現(xiàn)層與層之間有裂紋的產(chǎn)生，且發(fā)現(xiàn)了一次疲勞臺(tái)階，這是由于裂紋在擴(kuò)展的過(guò)程中，裂紋前沿的阻力不同，發(fā)生了擴(kuò)展方向的偏離，但擴(kuò)展方向仍然總體沿著試樣對(duì)角線擴(kuò)展。不同的斷裂面相交成為疲勞臺(tái)階。圖10(c)～10(e)為裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌。發(fā)現(xiàn)大量的疲勞輝紋，方向與裂紋擴(kuò)展方向垂直，這是由于316L 優(yōu)異的塑性導(dǎo)致在循環(huán)載荷的加載下留下的變形痕跡。除此之外，可在裂紋擴(kuò)展區(qū)發(fā)現(xiàn)二次疲勞臺(tái)階，與輝紋線垂直，代表了具體的裂紋擴(kuò)展方向。在裂紋擴(kuò)展后期，疲勞輝紋中逐漸出現(xiàn)韌窩，且界面處出現(xiàn)較嚴(yán)重的分層。圖10(f)為全316L 多層鋼疲勞斷口瞬斷區(qū)。可以觀察到由大量的韌窩構(gòu)成。

圖10 全316L 多層鋼疲勞斷口形貌Fig.10 Fatigue fracture morphologies of all 316L multilayer steel

2.4.3 全2Cr13 多層鋼

圖11 為全2Cr13 多層鋼疲勞斷口形貌。從圖11(a)宏觀形貌中可以觀察到裂紋從試樣邊緣起裂，且整個(gè)斷面相對(duì)于前兩種更光潔，為典型的脆性斷口。起裂源區(qū)附近出現(xiàn)了較寬的裂紋，結(jié)合圖11(b)，裂紋擴(kuò)展前期主要以穿晶斷裂為主，且裂紋擴(kuò)展速度較快，隨著裂紋的擴(kuò)展，逐漸觀察到垂直于裂紋擴(kuò)展方向的二次裂紋及解理面的存在，如圖11(c)～11(d)所示，為典型的解理斷裂特征。在裂紋擴(kuò)展后期，在解理面中發(fā)現(xiàn)少量的疲勞輝紋及韌窩，但韌窩所占比例較小，證明對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻力很小。在瞬斷區(qū)中，總體以解理面為主，解理面中夾雜一些韌窩，由于2Cr13 中鐵素體的存在導(dǎo)致疲勞斷口上存在少量韌斷特征。

圖11 全2Cr13 多層鋼疲勞斷口形貌Fig.11 Fatigue fracture morphologies of all 2Cr13 multilayer steel

2.4.4 多層鋼疲勞損傷機(jī)制

結(jié)合圖4 中3 種材料的組織與圖5～圖7 力學(xué)性能，全316L 多層鋼組織由奧氏體組成，為一種低強(qiáng)度高韌性材料，而全2Cr13 多層鋼由大量馬氏體與少量鐵素體組成，為一種高強(qiáng)度鋼，316L-2Cr13 多層鋼性能介于二者之間。在低強(qiáng)度高韌性鋼中，材料內(nèi)部固有缺陷(如滑移帶、位錯(cuò)等)對(duì)疲勞性能影響較大，例如位錯(cuò)可以轉(zhuǎn)移疲勞損傷，滑移帶減緩裂紋擴(kuò)展速率；而在高強(qiáng)度鋼中，加工缺陷(如劃痕、孔洞等)對(duì)材料疲勞性能的影響更大[20]，原因是高強(qiáng)度鋼對(duì)缺陷極為敏感?？煽偨Y(jié)出高強(qiáng)度鋼的疲勞損傷率大，低強(qiáng)度鋼疲勞損傷率小，該現(xiàn)象也可通過(guò)疲勞強(qiáng)度指數(shù)獲得，即圖7 中S-N曲線的斜率。結(jié)合圖9～圖11 斷口分析，在全316L 多層鋼中，有較大的塑性變形且發(fā)現(xiàn)較多的疲勞輝紋，證明優(yōu)秀的塑性對(duì)疲勞裂紋的擴(kuò)展有阻礙作用。而在全2Cr13 多層鋼中，材料由于較高的強(qiáng)度且具有更多復(fù)雜的晶界，即晶界處高密度的位錯(cuò)較少，因此高強(qiáng)度鋼材料的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值較大。而當(dāng)裂紋前沿應(yīng)力強(qiáng)度因子最大值等于裂紋擴(kuò)展門檻值時(shí)，即為該材料的疲勞強(qiáng)度。對(duì)于高強(qiáng)度材料而言，疲勞裂紋不易萌生，但裂紋一旦萌生，它們將以很高的破壞率傳播[21]，斷口體現(xiàn)為脆性穿晶斷裂，且有著大量的解理面。

綜上所述，本文制備的316L-2Cr13 多層不銹鋼復(fù)合板作為一種高強(qiáng)-高韌鋼，同時(shí)具有較高的強(qiáng)度與韌性。首先，由于馬氏體層提供的較高強(qiáng)度使裂紋擴(kuò)展的門檻值較高，材料不容易起裂，而當(dāng)在較大應(yīng)力下裂紋形核后，材料又由于316L提供的優(yōu)異塑性減緩的裂紋擴(kuò)展速率，反映在SN 曲線中，即為疲勞損傷率較小、疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值較高、疲勞強(qiáng)度最優(yōu)；在疲勞斷口呈現(xiàn)韌脆混合的特征。即316L-2Cr13 多層不銹鋼復(fù)合板綜合了二者的優(yōu)點(diǎn)，最終表現(xiàn)出更好的疲勞性能。

3 結(jié) 論

(1) 奧氏體不銹鋼316L-馬氏體不銹鋼2Cr13(316L-2Cr13)多層不銹鋼復(fù)合板可以綜合組成材料的優(yōu)點(diǎn)，不僅擁有較高的強(qiáng)度，還擁有優(yōu)異的塑性，平均抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為1 147 MPa、23%。

(2) 316L-2Cr13 多層不銹鋼復(fù)合板和全316L或2Cr13 多層鋼在應(yīng)力比為0.1 的情況下，應(yīng)力-壽命(S-N)曲線皆具有明顯水平段，即有顯著的疲勞極限，且316L-2Cr13 多層鋼疲勞極限優(yōu)于另外兩者，達(dá)到286 MPa。

(3) 在循環(huán)載荷加載過(guò)程中，由于2Cr13 層提供的較高的強(qiáng)度使材料的裂紋擴(kuò)展門檻值較高，防止快速起裂；316L 層所提供的較好的塑性阻礙疲勞裂紋擴(kuò)展，二者綜合，316L-2Cr13 多層不銹鋼復(fù)合板疲勞性能相較于其他兩種材料有了較大的提升。

(4) 3 種材料疲勞斷口皆由明顯的起裂源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)組成，在裂紋擴(kuò)展區(qū)中，奧氏體層發(fā)生顯著的塑性變形，出現(xiàn)大量的疲勞輝紋，而馬氏體層則以脆性穿晶斷裂為主，裂紋擴(kuò)展后期，奧氏體層逐漸出現(xiàn)韌窩，馬氏體層出現(xiàn)大量解理面。且在316L-2Cr13 多層不銹鋼復(fù)合板中，兩種層在瞬斷區(qū)由剪切韌窩相連接。