Acta Mater.：氢气对铁素体-珠光体双相低碳钢疲劳断裂位错组织的影响

【引言】

在氢气气氛中，金属与合金容易发生疲劳断裂，但其发生的机制目前还不清楚。目前主要的理论有：氢脆理论、氢致局部塑性理论、氢致空位产生理论和氢致相变理论。因此进一步分析和阐释氢致失效的机制具有重大意义。

【成果简介】

近日，来自美国威斯康辛大学麦迪逊分校的材料科学与工程系的Ian M. Robertson和工程物理系的王帅（共同通讯作者）在Acta Materialia上发表了一篇名为“Hydrogen-modified dislocation structures in a cyclically deformed ferritic-pearlitic low carbon steel”的文章。研究人员以低碳钢为原材料，通过STEM、SEM、金相等分析手段研究了氢气对低碳钢疲劳断裂位错组织的影响并对其中的机理进行了相应的讨论。

【图文导读】

图1：变形前的显微组织

（a）变形前的金相照片。由图可知珠光体沿着铁素体晶粒的晶界分布，而材料的晶粒尺寸在10μm-50μm之间。

（b）变形前的STEM照片。由图可知变形前材料晶内的位错密度较低，而在珠光体中，铁素体和渗碳体间的间距在100nm-300nm之间。

图2：不同气氛下材料的疲劳裂纹扩展速率曲线

由图可知当∆K < 50 MPa m^1/2时，三条曲线都存在稳态扩展区，即Paris区。除此之外，在H₂下的裂纹扩展速率比在空气中的要快。∆K < 50 MPa m^1/2时，H₂气压对裂纹扩展速率影响影响很小。

图3： 不同气氛下疲劳断裂表面（∆K=25 MPa m^1/2）

（a-b）为空气中疲劳断裂表面的SEM图，断口上可以观察到明显的疲劳辉纹，基本上与裂纹扩展方向垂直。

（c-d）为40 MPa H₂ 中疲劳断裂表面的SEM图，断口主要特征为准解理和少量的河流花样。

图4：疲劳断裂表面下的STEM图（疲劳断裂气氛：空气）

（a）由图可知，断裂表面下的微观组织结构以亚晶为主；裂纹扩展方向为从左到右；图的左下角为圆圈区域的选区电子衍射图，表明亚晶间的取向差很小。

（b）疲劳辉纹附近的显微组织结构图。

（c）断裂表面下2-5μm处的显微组织结构图。由图可知亚晶内的位错密度较低，而较大的亚晶被位错分割成更小的亚晶。

（d）断裂表面下13-19 µm处的显微组织结构图。由图可知随着离断裂表面的距离增加，亚晶内的位错密度逐渐减小。

断裂表面处亮灰色为沉积的Pt。

图5：疲劳辉纹与准解理区间的过渡区的显微组织结构（疲劳断裂气氛：空气，∆K=25 MPa m^1/2）

（a）疲劳辉纹与准解理区间的过渡区的SEM图；

（b）为（a）中虚线框处的STEM图。由图可知，断裂表面下的微观结构主要为亚晶，并伴有二次裂纹。

断裂表面处亮灰色为沉积的Pt。

图6：图5（b）中虚线方框处晶粒取向分布图

（a）图5（b）中虚线方框处晶粒取向分布图与反极图，由图可知亚晶间的取向差较小。

（b）与（a）对应的索引图，在图中可以看到低角度的亚晶晶界和位错墙。

（c）垂直方向上的累积取向差曲线，由图可知断裂表面的亚晶与断裂表面下的亚晶的取向差达到20°。

（d）水平方向上的累积取向差曲线，水平方向上的亚晶之间的取向差较小。

图7：图3（d）中虚线框处与河流花样平行截面的位错结构（疲劳断裂气氛：40 MPa H₂ ，∆K=25 MPa m^1/2）

（a）图3（d）中虚线框处断裂表面下的STEM图。由图可知密集的位错带与断裂表面间的夹角约为70°；位错带间的间距为200-470nm；大多数位错带从表面延伸到底部的晶界，延伸距离约为9μm；在左边的位错当间由二次位错带存在，而在其他区域位错带间含有许多位错胞。

（b）为（a)中虚线框的放大图。由图可知断裂表面下100-200nm处亚晶内的位错密度很高；左下角为虚线圆处的选区电子衍射图。

断裂表面处亮灰色为沉积的Pt。

图8：断裂表面下晶粒取向分布图（疲劳断裂气氛：40 MPa H₂ ，∆K=25 MPa m^1/2）

（a）图7（b）中虚线方框处晶粒取向分布图与反极图。

（b）与（a）对应的索引图，在图中可以看到密集的位错带。

（c）垂直方向上的累积取向差曲线。

（d）水平方向上的累积取向差曲线。

图9：不同气氛下显微组织尺寸不同深度的分布曲线（∆K=25 MPa m^1/2）

对于空气中断裂表面而言，统计的显微组织尺寸为疲劳辉纹下的亚晶尺寸；对于40 MPa H2中断裂表面而言，统计的显微组织尺寸为位错胞尺寸。

（a）断裂表面下0-6µm处显微组织尺寸分布图。

（b）断裂表面下6-12µm处显微组织尺寸分布图。

【小结】

本文以空气中的疲劳断裂为对照组系统地研究了氢气对铁素体-珠光体双相低碳钢的疲劳断裂中位错组织的影响，发现氢致局部塑性理论可以很好的解释疲劳断裂中位错组织的变化。在空气中，疲劳断裂表面主要以疲劳裂纹辉纹为主，裂纹表面下的显微组织主要以亚晶为主；在氢气中，疲劳断裂表面以解里面为主，裂纹表面下的显微组织主要以位错带和位错胞为主。

文献链接： Wang S, Nagao A, Sofronis P, et al. Hydrogen-modified dislocation structures in a cyclically deformed ferritic-pearlitic low carbon steel[J]. Acta Materialia, 2017.

本文由材料人编辑部新人组刘冠华编译，周梦青审核，点我加入材料人编辑部。

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