淺談固溶碳對提高鐵素體鋼以及奧氏體鋼疲勞特性的作用

  鋼鐵材料的主要構成相不僅有鐵素體，奧氏體也是重要的構成相。但是對室溫奧氏體的疲勞問題，過去沒有考慮應變時效的影響。原因是，碳在奧氏體中的擴散速度顯著小于在鐵素體中的擴散速度。但實際上并非如此。近年來有研究報告報道了利用間隙原子（i）-置換原子（s）的相互作用，在奧氏體鋼中也出現了應變時效硬化現象。具體而言，Fe-Mn-C基的奧氏體鋼，由于Mn和C的相互引力作用，產生應變時效硬化效應。這種Fe-Mn-C基奧氏體鋼是因TWIP（孿晶誘發塑性）效應而具有高延性、高強度的鋼。該鋼種的疲勞極限比不含碳的TWIP鋼的疲勞極限高。不含碳的TWIP鋼沒有應變時效硬化現象，疲勞裂紋擴展不能停止，而Fe-Mn-C基奧氏體TWIP鋼在疲勞極限時，疲勞裂紋擴展停止。圖3是Fe-Mn-C基的TWIP鋼與無應變時效的奧氏體鋼的疲勞壽命的比較。Fe-Mn-C基TWIP鋼的疲勞極限時的疲勞壽命長。原因是，在低應力條件下，由于應變時效硬化的作用，Fe-Mn-C基奧氏體TWIP鋼中微小疲勞裂紋的擴展速度較小。這就是說，通過產生應變時效硬化的合金設計，可以提高奧氏體鋼的疲勞極限和接近疲勞極限時的疲勞壽命。過去，沒有進行通過產生應變時效硬化的合金設計，提高奧氏體鋼疲勞極限的嘗試，現在可以通過添加合金元素，使鋼產生應變時效硬化來提高鋼的疲勞特性。

  關于固溶碳對提高鋼疲勞特性的作用，結構材料有一定的使用壽命，在實際使用環境下的金屬結構材料的損壞原因多是疲勞。疲勞斷裂發生在屈服強度以下。金屬結構材料即使在沒有發生宏觀塑性變形的狀態下，在各種應力反復作用下，金屬中的位錯組織不斷發生變化。其結果是，薄弱的位錯組織發生裂紋、裂紋擴展、直材料斷裂。發生疲勞斷裂時的負荷循環次數叫做疲勞壽命。發生疲勞斷裂的極限應力叫做疲勞極限。一般，將在一定應力振幅作用下，對材料試樣反復施加107次疲勞負荷，試樣未斷裂的應力振幅規定為疲勞極限。對于鋼鐵材料，疲勞裂紋擴展時間大于疲勞裂紋萌生時間。因此，在研究鋼鐵材料的疲勞壽命時，疲勞裂紋的擴展行為是重要的因素。此外，疲勞裂紋的擴展行為也是疲勞極限的支配因子。

  關于過飽和碳與微小疲勞裂紋擴展停止極限，本研究測定了晶內微小裂紋擴展停止極限的應力擴大系數。值得注意的是，0.002%C的IF鋼疲勞裂紋擴展停止極限有顯著提高。這就是說，與傳統鋼相比，如果使鐵素體含有少量的過飽和固溶碳，由于應變時效引起疲勞裂紋前端的動態硬度變化，可顯著提高微小疲勞裂紋擴展停止極限。換言之，水淬使鐵素體中的固溶碳量增加，對于提高鋼的疲勞特性具有重要作用。

不銹鋼測試儀器導讀：超聲波測厚儀、紫外線燈、鐵素體測試儀。