Acta Mater.：通过调节晶粒尺寸及其分布来提高TWIP钢的低周疲劳性能

【引言】

 疲劳性能，是材料在循环载荷服役条件下的一项非常重要的性能，其可分为低周疲劳（LCF）和高周疲劳（HCF）。目前对于提升抗高周疲劳（HCF）性能的方法有很多，如晶粒细化，预应变及表面喷丸处理等，与之相比，低周疲劳（LCF）的研究及提升方法则相对较少，而其在重要的汽车工业则广泛涉及到，既有的抗高周疲劳（HCF）措施对抗低周疲劳（LCF）几乎没有提升作用甚至有害。本文将从两个方面：（1）通过传统冷轧和再结晶退火在不引入残余应力的情况下实现晶粒细化；（2）通过原始加工技术实现晶粒尺寸呈线性梯度，来实现对拥有优异力学性能的Fe-Mn-C孪晶诱导塑型（TWIP）钢的抗低周疲劳性能的提升，并揭示其内在的作用机理。

【成果简介】

近日，由来中科院金属所的张哲峰教授等为通讯作者在Acta Materialia上在线发表了一篇名为 “ Improvement of low-cycle fatigue resistance in TWIP steel by regulating the grain sizeand distribution ” 的文章。文中，研究人员引入了两种提升Fe-Mn-C孪晶诱导塑性（TWIP）钢低周疲劳（LCF）性能的方法，一种是通过传统冷轧和再结晶退火在不引入残余应力的情况下实现晶粒细化（FG样品）; 另一种是通过原始加工技术实现晶粒尺寸呈线性梯度（GS样品）。研究表明GS样品表现出比未精炼的粗晶（CG）样品和FG样品更高的循环硬化能力和循环饱和应力。基于疲劳寿命（Nf）与总应变振幅（△ε/ 2）的相关性，GS在高应变幅度下呈现出最长寿命，而FG在低应变幅度下呈现最长寿命。从应力方面（△σ/ 2-N_f曲线）来看，即Basquin曲线，GS表现出比FG和CG都更好的LCF性能。GS优异的疲劳特性源于大量几何型位错（GND）和循环加载期间硬核和软壳结构的形成。本文揭示的晶粒尺寸和分布对疲劳损伤机理的重要影响可能为未来从优化微结构设计来提高材料耐疲劳性能方面提供新的重要指导意义。

【图文导读】

图1. 典型预处理对疲劳性能的影响

（a）几种应力控制措施成功提升抗高周疲劳（HCF）性能;

（b）几种应变控制未能成功提升抗低周疲劳（LCF）性能。

图2. 扭转和退火处理原理图

实验中扭转和退火处理原理图：第一步，对试样进行扭转处理；第二步，对经扭转试样进行退货处理。

图3. 各Fe-18Mn-0.6C TWIP钢试样退火试样的微观结构

经退火处理后的Fe-18Mn-0.6C TWIP钢的CG，FG和GS试样的微观结构图。

（a）CG试样的ECC图；            （b）FG试样的ECC图；

（c）GS，r = 0R的EBSD图;     （d）GS，r = 0.5R的EBSD图;

（e）GS，r = 1R的EBSD图。   （f）GS试样中晶粒尺寸随试样中心距离变化的函数曲线。

图4. 各试样的低周疲劳寿命（LCF）与总应变幅度和饱和应力幅度关系

CG，FG和GS的低周疲劳（LCF）性质。

（a）总应变幅度与疲劳寿命之间曲线关系;

（b）疲劳寿命与饱和应力幅度之间曲线关系。

图5. 各试样循环应力响应（CSR）和循环应力-应变（CSS）曲线

各试样的循环应力响应（CSR）曲线：（a）CG，（b）FG；（c）GS。（d）CG，FG和GS三试样的循环应力 - 应变（CSS）曲线，

图6. 各试样的循环硬化/软化行为

三试样的循环硬化/软化行为：

（a）各试样的循环应力响应（CSR）曲线的分区;

（b）阶段I发生循环硬化，硬化值随总应变幅度之间关系曲线;

（C）阶段II发生循环软化，软化值随总应变幅度之间关系曲线;

（d）阶段III发生第二次循环硬化，硬化值随总应变幅度之间关系曲线。

图7. 表面损伤特征的SEM

不同应变幅值下CG和GS试样表面损伤特征的SEM图像。

（a）CG，△e/2 =0.3％; （b）GS，△e/2 = 0.3％; （C）CG，△e/2 = 1.0％; （d）GS，△e/2 = 1.0％。

图8. 滑移带CLSM图像及尺寸分布

当△e/2 = 0.6％时，试样表面受侵入和挤压后形成的CLSM图：（a）CG；（b）GS；（c）CG和GS试样表面侵入和挤压后滑移带尺寸分布情况。

图9. 各应变幅值下GS微观损伤特征ECC图

各应变幅值下，GS在不同位置的微损伤特征的ECC图。（a）r = 0R，△ε/ 2 = 0.3％; （b）r = 1R，△ε/ 2 = 0.3％; （C）r = 0R，△ε/ 2 = 1.0％；（d）r = 1R，△ε/ 2 =1.0％。

图10. △ε/ 2 = 0.3％循环加载后GS试样位错型结构TEM

经△ε/ 2 = 0.3％循环加载后，GS样品中不同位置的位错型结构TEM图： （a-c）r = 0R; （d-f）r = 1R。

图11. △ε/ 2 = 1.0％循环加载后GS样品中典型亚结构TEM

经△ε/ 2 = 1.0％循环加载后GS样品中不同位置的典型亚结构的TEM图： （a-c）r = 0R; （d-f）r = 1R。

图12. 应力响应的影响机理示意图

C-Mn 键短程有序（SRO）对两种应力响应的影响机理示意图：（a）单向变形；（b）循环变形。

图13. 磁滞回线分割示意图及循环硬化软化第三阶段内应力值

（a）通过KWL方法对磁滞回线分割的示意图；（b）CG，FG和GS三试样在循环硬化软化第三阶段下确定的内应力值。

图14. 塑性滑移示意图

该图显示，沿x轴方向按一定梯度滑移引起了密度为ρ_G几何位错（GND）。其中，假定塑性滑移发生在的单滑移系统上，滑移方向和滑移平面间的法线在变形开始时分别与加载方向成45度的角度。

图15. GS试样中形成的应变梯度和应力梯度情况

在GS试样中形成的应变梯度和应力梯度。

（a）在GS样品拉伸前和和拉伸后后不同粒径处的硬度值。

（b）在r = 0.5R处的晶界附近典型的损伤微观结构TEM图。（c）变形GS试样中存在的应力梯度示意图。

图16. CG和FG试样中的裂纹扩展情况

CG和FG试样中的裂纹扩展情况。图（a）和图（b）为CG试样应变幅度值在△ε/ 2 = 0.4％时，循环加载后的断面SEM图。图（c）为纹扩展速度与断面上裂纹尺寸之间的关系曲线。Hatanaka和Yamada也采用了同样的评价方法。

图17. 有限元模拟分析

有限元模拟分析的过程和结果：

（a）假设材料为由具有一定硬度的圆柱形样品硬质核心和软壳组成。考虑到样品的实际负载条件，圆柱形试样顶端和底端与适配件相连。

（b）为硬质核心和软壳对应的应力-应变曲线。其中，芯和壳都使用相同的弹性模量E = 160GPa，加工硬化率Q = 2800MPa。

（c-e）为当圆柱形样品拉伸至2％总应变后，位移，塑性应变和沿z轴方向的应力轮廓情况。

（f-h）为当圆柱形样品压缩2％应变下的相应轮廓。其中图（c-h）中的白线是核心和外壳之间的边界。

图18. GS试样在循环载荷下的独特变形机理及其表面应力松弛的优势

该图显示的是GS样品在循环载荷下的独特变形机理及其在表面应力松弛的优势，从中可看出，在循环变形的拉伸过程中，由于较低的屈服强度，软壳比硬芯更容易发生塑性变形。 当软壳层达到屈服后，外壳变得更容易，或者在其他区域中比在图17a所示负载条件下的中的硬芯更大产生变形。

【小结】

本文介绍了两种提高Fe-Mn-C孪晶诱导塑性（TWIP）钢低周疲劳（LCF）性能的方法，一种是通过传统冷轧和再结晶退火在不引入残余应力的情况下实现晶粒细化（FG样品），另一种是通过原始扭转和退火（T＆A）处理实现晶粒尺寸呈线性梯度（GS样品）。基于相关实验和模拟分析，得出如下结论：
（1）与CG试样相比，低周疲劳（LCF）性能的提升不仅来自应变方面（△ε/ 2-N_f曲线），也来自应力方面（△s/ 2-N_f曲线），其中，FG试样通过适当降低粒径，而GS试样通过粒径合理分布来提升抗低周疲劳（LCF）性能。
（2）在初始循环硬化和随后的循环软化后，三种试样通常都出现二次循环硬化现象，尽管硬化和软化量都随晶粒尺寸和分布而变化。另外，GS试样的循环饱和应力高于CG和FG的循环饱和应力，这可能与GS中的GND的额外硬化紧密相关。
（3）低周疲劳（LCF）性能随晶粒尺寸线性梯度变化（晶粒外细和内粗）的优点主要包括几方面：首先，表层中的细晶粒改善了变形均匀性，抑制了裂纹沿表面边界的萌生；其次，除SSD外，GS中大量存在的GND进一步增强了循环应力，从而提升了抗疲劳性能；第三，GS试样在循环加载过程中形成的硬核和软壳结构可有助于表面应力松弛，从而延长裂纹萌生时间。这些都可以为未来从优化微结构设计来提高材料耐疲劳性能方面提供新的重要指导意义。

文献链接：Improvement of low-cycle fatigue resistance in TWIP steel by regulating the grain sizeand distribution（Acta Mater.: 2017，DOI: org/10.1016/j.actamat.2017.05.004）

本文由材料人编辑部金属材料学术组彭黄涛供稿，材料牛编辑整理。

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