固溶碳对提高钢疲劳特性的作用

      结构材料有一定的使用寿命。在实际使用环境下的金属结构材料的损坏原因多是疲劳。疲劳断裂发生在屈服强度以下。金属结构材料即使在没有发生宏观塑性变形的状态下，在各种应力反复作用下，金属中的位错组织不断发生变化。其结果是，最薄弱的位错组织发生裂纹、裂纹扩展、直至材料断裂。发生疲劳断裂时的负荷循环次数叫做疲劳寿命。发生疲劳断裂的极限应力叫做疲劳极限。一般，将在一定应力振幅作用下，对材料试样反复施加107次疲劳负荷，试样未断裂的应力振幅规定为疲劳极限。对于钢铁材料，疲劳裂纹扩展时间大于疲劳裂纹萌生时间。因此，在研究钢铁材料的疲劳寿命时，疲劳裂纹的扩展行为是重要的因素。此外，疲劳裂纹的扩展行为也是疲劳极限的支配因子。以下对钢铁材料疲劳裂纹扩展行为的研究情况进行简要介绍。

        微小疲劳裂纹停止扩展和应变时效硬化
        疲劳裂纹扩展行为决定着疲劳极限，是因为金属材料中产生疲劳裂纹后，在疲劳负荷的反复作用下，当疲劳裂纹不发生扩展时，由于疲劳裂纹扩展速度是零，所以即使材料中产生了裂纹也不发生断裂，这个疲劳裂纹停止扩展的极限应力是疲劳极限。钢铁材料中即使存在疲劳裂纹，但只要应力小于疲劳极限，钢铁材料就是健康的状态。Fe-0.017%C（mass%，下同）铁素体单相组织钢疲劳极限时的复型图像（疲劳负荷应力比为-1）显示，疲劳裂纹发生后，停止了扩展。

       如图1所示，微小疲劳裂纹停止扩展的原因有三个类别。1）裂纹前端发生变形，产生钝化（图1（a））。2）裂纹闭合。裂纹发生变形，在裂纹前端形成塑性区，在塑性区材料沿裂纹开口方向发生塑性变形。由于受到周围弹性变形区的拘束，塑性变形区发生弹性压缩。卸载后，弹性压缩场残留下来，阻碍着闭合后裂纹在再次拉伸负荷下的张开（图（b））。残留弹性压缩场的规模随微小疲劳裂纹的扩展而增大，当裂纹扩展到某一长度时，扩展完全停止。这种裂纹闭合现象称为塑性诱发裂纹闭合效应。3）疲劳裂纹前端周围硬化，成为塑性变形的阻力。疲劳裂纹前端周围越硬，对位错运动的阻力越大，对裂纹张开的阻力也就越大（图1（c））。对这三个因素进行控制是提高材料疲劳极限的关键。对于疲劳裂纹前端周围硬化的第三个因素，应变时效硬化是使疲劳裂纹前端周围硬化的有效方法。钢中的固溶碳对应变时效硬化有重要影响。
        为缓解裂纹前端的大应力集中，需要发生塑性应变。由于裂纹前端存在静水压梯度，所以应力诱发扩散促进碳向裂纹前端的扩散和偏析。此外，在疲劳极限附近，疲劳裂纹扩展速度很慢，所以碳的扩散需要一定时间。这就是说，在裂纹前端具备了大塑性应变、高碳浓度、长时效时间这三个条件。因此在裂纹前端产生应变时效硬化，使裂纹扩展停止。

        图2是经淬火处理、碳处于过饱和状态的无间隙原子钢（IF钢）Fe-0.006%C和Fe-0.017%C的应力振幅-疲劳寿命（S-N）曲线。从S-N曲线可知，固溶碳提高了钢的疲劳极限。需关注的是，S-N曲线的107循环次数以后的曲线部分，是在107以上疲劳次数施加反复应力的部分。在该部分疲劳断裂的极限应力升高。将在疲劳极限以下应力作用下疲劳强度升高的现象称为硬化效应。疲劳强度升高的主要原因是加工硬化和应变时效硬化。其中应变时效硬化对钢材的上述硬化效应十分重要。在疲劳极限以下的低应力疲劳试验中，虽然没有观察到宏观塑性变形，但在低强度组织部位和应力集中的疲劳裂纹前端已局部导入了塑性应变，并且有了发生应变时效的足够时间（107次循环）。因此，材料在疲劳试验中被强化、疲劳极限升高。上述硬化效应程度与钢中碳含量有依存关系。图2中，碳含量最大的Fe-0.017%C钢产生显著的硬化效应。

        过饱和碳与微小疲劳裂纹扩展停止极限
        本研究测定了晶内微小裂纹扩展停止极限的应力扩大系数。值得注意的是，0.002%C的IF钢疲劳裂纹扩展停止极限有显著提高。这就是说，与传统钢相比，如果使铁素体含有少量的过饱和固溶碳，由于应变时效引起疲劳裂纹前端的动态硬度变化，可显著提高微小疲劳裂纹扩展停止极限。换言之，水淬使铁素体中的固溶碳量增加，对于提高钢的疲劳特性具有重要作用。

        4 i-s相互作用引起的应变时效现象与疲劳裂纹扩展停止极限
        钢铁材料的主要构成相不仅有铁素体，奥氏体也是重要的构成相。但是对室温奥氏体的疲劳问题，过去没有考虑应变时效的影响。原因是，碳在奥氏体中的扩散速度显著小于在铁素体中的扩散速度。但实际上并非如此。近年来有研究报告报道了利用间隙原子（i）-置换原子（s）的相互作用，在奥氏体钢中也出现了应变时效硬化现象。具体而言，Fe-Mn-C基的奥氏体钢，由于Mn和C的相互引力作用，产生应变时效硬化效应。这种Fe-Mn-C基奥氏体钢是因TWIP（孪晶诱发塑性）效应而具有高延性、高强度的钢。该钢种的疲劳极限比不含碳的TWIP钢的疲劳极限高。不含碳的TWIP钢没有应变时效硬化现象，疲劳裂纹扩展不能停止，而Fe-Mn-C基奥氏体TWIP钢在疲劳极限时，疲劳裂纹扩展停止。图3是Fe-Mn-C基的TWIP钢与无应变时效的奥氏体钢的疲劳寿命的比较。Fe-Mn-C基TWIP钢的疲劳极限时的疲劳寿命长。原因是，在低应力条件下，由于应变时效硬化的作用，Fe-Mn-C基奥氏体TWIP钢中微小疲劳裂纹的扩展速度较小。这就是说，通过产生应变时效硬化的合金设计，可以提高奥氏体钢的疲劳极限和接近疲劳极限时的疲劳寿命。过去，没有进行通过产生应变时效硬化的合金设计，提高奥氏体钢疲劳极限的尝试，现在可以通过添加合金元素，使钢产生应变时效硬化来提高钢的疲劳特性。