共析轨钢的循环应变行为

D0I:10.13374/i.issn1001053x.1991.03.024 第13卷第3期 北京科技大学学报 Vol.13 No.3 1991年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 1991 4 共析轨钢的循环应变行为 李怀明*杨让· 摘要：用增量步进试验方法，研究了珠光体和回火素氏体共析轨钢的循环应力-应变行 为。结果表明，在试验选定应变范用内，回火素氏体发生循环软化，珠光体表现为软、更化 同时发生。在同类型组织中，低强材料的循环应变性能优于高强材料，而珠光体优于回火素 氏体。定义了珠光体组织的临界应变幅，并对临界应变幅随性能的变化规律进行了研究。同 时还探讨了循环应力-应变参数与显微组织鑫数及应变步进增量的关系。 关键词：共析轨钢，循环应力~应变，循环软、硬化，循环应变硬化指数 Cyclic Strain Behavior in A Eutectoid Rail Steel Li Huaiming'Yang Rang' ABSTRACT:Cyclic stress-strain behavior in pearlitic and tempered sorbitic cutectoid rail steels has been studied by Incremental Step Test technigue.It is shown that tempered sorbite exhibits only cyclic softening and simultineous cyclic softening and hardening are observed in pearlite throughout the entire range of strain amplitudes investigated.Cyclic stress-strain properties in coase structure and pearlite are better than those in fine structure and tempered sorbite respectively.Critical strain amplitude of pearlite has been defined. The effects of properties on critical strain amplitude,and the relationship between microstructures,incremental step strains and cyclic stress-strain para- meters have been investigated. KEY WORDS:eutectoid rail steel,cyclic stress-strain,cyclic softening and hardening,cyclic strain hardening exponent. 1990一10一30收稿 ·材料科学与工程系(Department of Material Science and Engineering) 233

第 13卷第 3 期 19 9 1年 5 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e i j i n g V o l . 1 3 N o 。 3 M a y i , , i , 一 - - ~ 一- 一 ~ 一- 一 ` - 一 一一 ~ - 一一- ~ ~ -一 一 - -- 一- 一~ 一- 共析轨钢的循环应变行为 李怀明 ’ 杨 让 , 摘 要 : 用增量步进试验方法 , 研究 了珠光体和回 火素氏体共析轨 钢的循环应力 一应 变 行 为 。 结 果表明 , 在试 验选定应变范围内 , 回火索氏体发生循环软化 , 珠光体表现为软 、 硬化 同时发生 。 在同类型 组织中 , 低强材料的循环应变性能优于高强材料 , 而 珠光体优于回火 素 民体 。 定 义 了珠光体组织的临 界应变 幅 , 并 对临 界应 变幅随性能的变 化规律进行 了研究 。 同 时还探讨 了循环应力 一应变参数 与显微组织参数 及应变步进增量的关系 。 关键词 : 共析轨钢 , 循环应力 一 应变 , 循环软 、 硬 化 , 循环应变硬化指数 Cy e l i e S t r a i n B e h a v i o r i n A E u t e e t o i d R a i l S t e e l L I H u a i 优 i ” 夕 . aY n g R a n g . A B S T R A C T : C y e l i e s t r e s s 一 s t r a i n b e h a v i o r i n p e a r l i t i e a n d t e m p e r e d s o r b i t i e e u t e e t o i d r a i l s t e e l s h a s b e e n s t u d i e d b y I n e r e 现 e n t a l S t e p T e s t t e e h n i g u e . I t 1 5 s h o w n t h a t t e m p e r e d s o r b i t e e x h i b i t s o n l y e y e li e s o f t e n i n g a n d s i m u l t i n e o u s e y e li e s o f t e n i n g a n d il a r d e n i n g a r e o b s e r v e d i n p e a r l i t e t h r o “ g h o u t t五e e n t i r e r a n g e o f s t r a i n a m p li t u d e s i n v e s t i g a t e d · C v e li e s t r e s s 一 s t r a i n P r o p e r t i e s i n e o a s e s t r u e t u r e a n d P e a r l i t e a r e b e t t e r t h a n t h o s e i n f i n e s t r u e t u r e a n d t e m p e r e d s o r b i t e r e s p e e t i v o l y . C r i t i e a l s t r a i n a m p l i t u d e o f p e a r l i t e h a s b e e n d e f i n e d . T h e e f f e e t s o f p r o p e r t i e s o n e r i t i e a l s t r a i n a m p li t u d e , a n d t h e r e l a t i o n s五i p b e t w e e n m i e r o s t r u e t u r e s , i n e r e nt e n t a l s t e p s t r a i n s a n d e y e li e s t r e s s 一 s t r a i n p a r a - m e t e r s h a v e b e e 住 i n v e s t i g a t e d . KE Y W O RD S : e u t e e t o i d r a i l s t e e l , e y e li e s t r e s s 一 s t r a i n , e y c li e s o f t e n i n g a n d h a r d e n i n g , e y e li e s t r a i n h a r d e n i n g e x P o n e n t · 1 99 0一 1 0一 3 0 收稿 材料科学 与工程系 ( D e P a r tn e n 丈 。 f M a t , r i a l s c i e n c e a n d E n g i n e e t i n g ) 2 3 3 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1991. 03. 024

普通金属及合金在交变载荷下是不稳定的，可能出现循环软化或循环硬化，这取决于材 科成分、原始显微组织状态及应变幅〔1)。通常冷加工金属循环软化，退火金属循环硬化。 在循环软、硬化同时发生时，大应变硬化，小应变软化)。因此，当用单向拉伸性能去预 测周期载荷下钢的塑性流变行为时，就会使估计值与实际值不一致。本试验的目的就是在不 同实验参数条件下研究不同显微组织对共析轨钢循环应变行为的影响。 1试验方法 试验用钢是由武钢提供的C一Mn热轧钢轨钢，化学成分为(wt%):C一0.70，Si一 0.26,Mn一1.25，P一0.019，S一0.03。试料经煤炉加热后锻成棒，然后加工成标距为 30mm,标距部分直径为p10mm的单向拉伸及循环应变试样。将粗加工后的试样经850℃、1h 奥氏体化，按表1、2工艺进行热处理，得到各种片间距及粒间距的片状珠光体和回火索氏 体组织，热处理均在盐浴炉中进行。试样处理后精磨，表面光洁度可达R。:0.6~0,84m。 然后试样进行硬度及室温单向拉伸性能的测试。在金相显微镜下用截线法测定原奥氏体晶粒 表1等温转变工艺，珠光体组织参数及机械性能 Table 1 Isothermal transformation procedures,microstructural parameters and mechanical properties of pearlites 等温转变 原奥氏体珠光体珠光体硬度 强度 塑性 晶粒直径片间距团直径 温度，℃ 时间，h um HRC 00.2,MPa 0b,MPa延仲草，%惭断面收缩*，% 550 0.3 10.40,11 5.430.7 608.9 1057.3 13.4 50.7 600 0.6 10.60.155,727,4 546.2 958.3 13.8 51.1 640 1 10.5 0.20 6.323.7 451.7 862.8 15.3 53.2 670 2 10.5 0.30 7.117.0 360.4 775.0 16.0 37.5 表2 回火转变工艺，回火索氏体碳化物质点分布规律及机械性能 Table 2 Tempering transformation procedures,carbide particle.distributed pattern and mechanical properties of tempered sorbites 回火转变” 质点体积质点平 平均质 硬度 强 度 塑 性 分数 均直径 点间距 温度，℃时间，h Am HRC 00.2,MPa Ob,MPa 延伸格，%断面收缩率，% 500 2 0.28 0.3338.7 1015.4 1111.3 10.2 48.2 550 2 26.9 0.25 0.35 35.2 911,01000.9 11,8 50.8 600 2 26.9 0.34 0.45 30.2 796.1 942.7 17.1 45.8 650 28.8 0.46 0.66 23.4 673.8 794.4 19.4 58.3 700 2 26.0 0.800.7717,5 597.0 711.6 22.3 63.4 淬火介质为20*机油 度及珠光体团直径。扫描电镜下随意选择视场摄取6张照片，用随机片间距法(3)，测量珠 光体片间距，在Q-900图像分析仪上测定回火素氏体组织碳化物质点分布规律。采用增量 步进法(Incremental Step Test)来确定循环应力一应变曲线r4)。试验是在美国的MTS-809 电液伺服材料试验机上进行的，应变步进增量为0.001，最大应变±0.015，频率0.005Hz, 234

普通金属及合金 在交变载荷下是不 稳定 的 , 可能 出现循环 软化或循环硬 化 , 这取 决于材 科成分 、 原始显微组织状态 及 应变幅 〔 ` 〕 。 通常冷加工金属循环 软化 , 退火金属循环 硬 化 。 在循环软 、 硬 化同时发生时 , 大应变硬化 , 小应变软化 〔 “ ’ 。 因 此 , 当用 单 向拉伸性能 去 预 测周 期载荷下钢的塑性流变行 为时 , 就 会使估计值与 实际值不一致 。 本试验的 目的就是在不 同 实验 参数条件下研究不 同 显微 组织对共析轨钢循环应变行为的影响 。 1 试 验 方 法 试验用 钢是 由武钢 提供的 C一 M n 热轧钢轨 钢 , 化 学 成 分 为 ( w t % ) : C 一。 。 70 , iS 一 0 . 26 , M n 一 1 . 2 5 , P一 。 . 0 19 , S一 0 . 03 。 试料经 煤炉 加 热后锻成棒 , 然 后 加 工 成 标 距 为 30 m m , 标距 部分直径为价1 0 m m 的单向拉伸及循 环应变试样 。 将粗加工后 的试样经8 50 ℃ 、 h1 奥氏体化 , 按表 1 、 2 工艺进行热 处理 , 得到各 种片间距及 粒间距 的片状珠光 体和回 火索 氏 体组织 , 热处理均在盐浴 炉 中进行 。 试样处理后精磨 , 表面光 洁度可达 R : : 0 . 6 ~ 。 。 8那 m 。 然后试样进行硬 度及室温单 向拉伸性能的测试 。 在金相 显微镜下用 截线法测定原奥氏体晶粒 表 1 等通转变工艺 , 珠光体组 织参数及机械性能 T a b l e 1 I s o t h e r m a l t r a n s f o r m a t i o n p r o e e d u r e s , m i e r o s t r u e t u r a l p a r a m e t e r s a n d m e e h a n i e a l p r o p e r t i e s o f p e a r li t e s 等温转变 温度 , ℃ 强 度 塑 性 时间 , h 原奥氏体 珠光体 珠 光体 硬 度 晶粒直径 片间距 困直径 l ` m 群 m 拌m H R C J 0 . 2 , M P o a b , M P : 延伸 率 , % 断 面收 缩率 , 肠 1 0 。 1 0 。 2 1 0 。 5 0 。 11 0 。 1 5 0 。 2 0 0 。 3 0 3 0 。 7 2 7 。 4 2 3 。 7 1 7 。 0 6 0 8 。 9 5 4 6 。 2 4 5 1 。 7 3 6 0 。 4 1 0 5 7 。 3 9 5 8 。 3 8 62 . 8 7 7 5 。 0 1 3 . 4 1 3 。 8 1 5 。 3 1 6 。 0 5 0 。 5 1 。 5 3 。 3 7 。 5066470D 表2 回 火转变 工艺 , 回 火索 氏 体碳化物质 点分布规律及 机械性能 T a b l e 2 T e m p e r i n g t r a n s f o r m a t i o n p r o e e d u r e s , e a r b i d e p a r t i e l e . d i s t r i b u t e d P a t t e r n a n d m e e h a n i e a l p r o p e r t i e s o f t e m p e r c d s o r b i t e s 回火转 变 . 质 点体积 分数 % 质 点平 均直径 平 均质 点间距 温 度 , ℃ 时间 , h 硬 度 强 度 塑 性 H R c a o . 2 , M P a 仃 b , M P a 延 伸率 , % 断 面收缩 率 , % 2 6 。 2 6 。 0 。 2 8 0 。 3 3 0 。 2 5 0 。 3 5 0 。 3 4 0 。 4 5 0 。 4 6 0 。 6 6 0 . 8 0 0 。 7 7 3 8 。 7 3 5 。 2 3 0 。 2 2 3 。 4 1 7 。 5 10 。 2 1 1 。 8 17 。 1 1 9 。 4 2 2 。 3 4 8 。 2 5 0 。 8 4 5 。 8 5 8 。 3 6 3 。 4 呼几Q。`恤内J月b . . … 的引ùJ. `nU刁 J J 工, ,1 C。“J t ` 7 1,二 79691597015673 : 山邝 八QUD 2 2 n ,八幼n é n n ù匀n `ùa 口 甘n a内Jlb `th 淬 火介质为2 。 令 机 油 度及珠 光体团直径 。 扫描 电镜下随意选择视场摄取 6 张照片 , 用随机片间距 法 〔 “ , , 测 量 珠 光体片间距 ; 在 Q 一 9 0 图像分析仪上测 定回 火索 氏体组织碳化物质点分布规律 。 采 用 增 量 步进法 ( I n e r e m e n t a l S t e p T e s t )来确 定循环应 力一应 变曲线 〔 4 〕 。 试验 是 在美 国的 NI T S 一 8 0 9 电 液伺服材 料试验 机上 进行的 , 应 变步进增量为 。 , 0 0 1 , 最 大应 变 士 0 。 。1 5 , 频率o . 0 05 H : , 2 34

应变速率0,0002~0.003s',输入应变为全反向三角波，试验从最大应变开始，逐渐减小 至零，然后再逐渐增大应变。选择两个应变步进增量0.0005,0.002，来考查该参数对轨钢 循环应变行为的影响。用X一Y记录仪记录应力滞后回线。 2试验结果 珠光体及回火索氏体的组织参数的定量分析结果分别如表1、2，同时给出了室温机械 性能及硬度。由于试验采用相同的奥氏体化条件，保证了原奥氏体晶粒尺寸基本不变。随转 变温度升高，珠光体片间距，回火索氏体碳化物质点直径及粒间距增大，转变温度越高，影 响越显著。各转变温度下两组织的机械性能直接与其组织参数相关，细小的片间距及碳化物 颗粒对应较大的硬度和强度。 由增量步进试验获得的珠光体及回火索氏体的循环应力一应变曲线连同相应的单向应力 一应变曲线由图1给出。在几种片间距的珠光体组织中，均在低应变下表现出循环软化，高 应变下循环硬化，亦即软，硬化同时发生。而回火索氏体组织一般为循环软化，但在应变大 于1,5%时，有单调和循环应力一应变曲线相交的可能。由于在大应变试验条件下，易导致 试样失稳，因此循环应力一应变试验通常只在小子(1.0-1.5)%的应变范围内进行。对600℃ 等温转变的珠光体组织，在总应变为0.4%、0.6%和1.2%条件下做恒应变幅试验，结果如 图2所示。图中横坐标用塑性应变累积表示，这个结果与循环应力一应变曲线是一致的，小 应变软化，大应变硬化。循环软、硬化率初始阶段较大，并很快进入稳态循环。由增量步进 试验得到的循环应力一应变曲线可由下式表示5)： 800 12006 55c-P 1000 5013 600-- 50气-1 800 60气-Ψ 6二 400 600 § 200 Monotonic 400 rcfle 200 0 0.4 0.8 1.2 --一3 onotonie Cyelie 18r/2,9% 0 00.40.81.2 1,6 88/2,% 函1单向及循环应力一应变曲线 (a)珠光体 (b)回火索氏体 Fig,1 Monotonic and cyclic stress-strain curves △/2=K'(△e,/2)m'其中A0/2为稳态应力幅，△e,/2为塑性应变幅，K'和m'分别为 循环强度系数和循环应变硬化指数。将试验数据代人上式，用最小二乘法进行线性回归，其 235

应变速率 。 。 。。。 2 一 0 . 0 0 3 5一 ’ , 输入应变为全反 向三角波 , 试验从最大应变开始 , 逐 渐 减 小 至零 , 然后 再逐渐增大应 变 。 选择 两个应变步进增量 。 . 0 0 05 , o 。 0 02 , 来考查该参数对轨 钢 循环应变行为 的影响 。 用 X 一 Y 记录仪记录应 力滞后回 线 。 2 试 验 结 果 珠光 体及 回火索 氏体的组织参数的定量分 析结果分别如表 1 、 么 , 同时 给出了室温机械 性能 及硬度 。 由于试验采用 相 同的奥 氏体化条件 , 保证了 原奥 氏体晶粒尺寸基本不 变 。 随转 变温度升高 , 珠光体片 间距 , 回火索 氏体碳化物质点直 径及 粒间距增大 , 转变温度越高 , 影 响越显著 。 各转变温 度下两组 织的 机 械性能直接与其组织 参数相关 , 细小的片间距 及碳化物 颗粒对应较大的 硬 度和强度 。 由增量步进试验 获得 的珠 光 体及 回火 索 氏体的循 环应力 一应 变曲 线连 同相应 的单 向应力 一应 变 曲线由图 1 给出 。 在几 种片间距的珠 光体组织 中 , 均 在低应变下 表现 出 循环软化 , 高 应 变下 循环硬化 , 亦即软 , 硬 化同时 发生 。 而回火索 氏体组织 一般为循环软化 , 但在应变大 于 1 。 5肠时 , 有单调 和 循环 应力一应变曲线相 交的可能 。 由于在大应变试验条件下 , 易导 致 试样失稳 , 因 此循环应力一应变 试验通常只 在小 于 ( 1 . 。一 1 . 5) % 的应变范围 内进行 。 对 60 。 ℃ 等温转变的 珠光 体组织 , 在总应变为 。 。 4 % 、 0 . 6 %和 1 . 2 % 条件下做恒应变幅试验 , 结果如 图 2 所示 。 图 中横坐标用塑性应 变累积表 示 , 这个结 果与 循环应 力一应变 曲线是一致的 , 小 应变软化 , 大应 变硬化 。 循环软 、 硬化率初始阶段较大 , 并很快进入稳态 循环 。 由增量 步进 试验得 到的 循 环应力一应变曲线 可由下 式表示 C ” ’ : 8 0 0叮 { 6 0 0卜 { 鑫 _ { 互 { 1 2 0 0 1 0 0 0 5 0 0 氏足。 ǎ哭\ b ù V 毖 à 野州 t 匕) 、 一厂叫 止- ` . . . . . . . . 明 口 . . 一 一 竺共示浅弃 : 二 二庐{ 产 一幸尸尹声 不 - … _ 之 2“ 。卜 0 . 4 0 . 8 八s 丁 / 2 , % — M o 工l o t o ll l e 一一 C y d 记 一e 诊 一 .八Q曰 丫 ` ú J l 0 。 4 0 . 8 么。 洲2 , % 1 。 2 1 . 6 图 1 单向及循环应力一应 变曲线 F 1 9 . 1 M o n o t o n i e a n d e y e l i e ( a ) 珠光体 s t r C s s 一 s t r a i n ( b ) 回 火 索氏体 C U t V e S △川 2 二 K , ( 如 p / 2 ) ” 其 中△a/ 2 为稳态应力幅 , A o p 2/ 为塑性 应变幅 , K ` 和 m, 分别为 循 环强度系数和循环应变硬化指数 。 将试验数据代 人 上式 , 用最 小二 乘法进行线性回 归 , 其 2 3 5

表3单调及循环应力一应变参数 Table 3 Monotonic and cyclic 650 4ep=0.0159 stress-strain parameters 单 多 循环△e1=0.1% 转变温度 550 m Mp2 m' MPa 0.0067 550-P0.1311243.6608.90.1801665.7511.5 0.0033 600-P0.1451197.1546.20.1841566.3499.6 450 640-P0.1751196.7451,70.1941457.7436.7 0.0 0.2 670-P0,1821027.4360.40.2051334.6377.8 0.40.6 0.8 1.0 SAEp,% 500-M0.0711451.91015.40.1902221.2692.2 550-M0.0331082.8911.00.1921989.3600.2 图2△σ/2一Σ△eP关系曲线 600-M0.007829.2796,10.1991810.1538.7 Fig.2 Stress amplitudes vs accumulation 650-M-0.030584.0673.80.1851412.8450.4 of plastic straia 700-M-0.045479.4597.00.1831213.3402.1 结果连同相应的单向拉伸性能见表3，表中P为珠光体，M代表回火索氏体。图3为应变 步进增量（△©1）与循环应力一应变参数的关系，该图说明改变应变步进增量会对轨钢的循环 应变行为产生影响，且对两种组织的作用规律基本相同。 (a) 500 410 000.2 39U ●m' 。 ●m’ 480 K 370 0.20 0.20 起 1700 0.15 1300 0.15 1200 1500 1100 0.0 0.1 0.2 1000 △E:,% 0.0 0.1 0* 8!,0 图3循环应力一应变参数与应变步进增量之关系 (a)600℃一P, (b)700℃-M Fig.3 Depeadence of incremental step strain on cyclic stress-strain parameters 3讨 论 由图1可知，显微组织对循环应变行为的影响是巨大的，对珠光体而言，随片间距增大， 对应的循环硬化范围越大，单调和循环应力一应变曲线交点对应的应变越小。将此交点定义 为循环应变行为的临界应变，用c表示，各等温温度下的c值分别为：550℃一1.00%； 236

沁习 △。 P二。 . 1 。 , 6。 芯 O 0 0 6 7 又` . 一 一 } { 万0 . 0 0 3 3 . . . . . . . . . . 表3 单调及循环应 力一应 变参数 T a b l e 3 M o n o t o n i e a n d e y e li e s t r e s s 一 s t r a i n P a r a m e t e r s 转变温度 ℃ 单 调 一 一一 - - 一一 - 一 一 - - 一~ 一一 循环 △勺 = O 。 1% m M P a M p a m ` 尤 , M P a 口 0 . 2 M P a 之昌\阅0 刃△孙 , % 图 2 △口 / 2一刃 △e p 关系曲线 F 1 9 . 2 s t r e s s a m P l i t u d e S v s a c c u m 粗 l a t i o n o f P l a s t i e s t r a i n 5 5 0一P O 。 13 1 12 4 3 。 6 6 0 8 。 9 0 。 1 80 1 6 6 5 . 7 5 1 1 。 5 6 0 0一P 0 . 1 4 5 1 1。了 . 1 5 4 6 . 2 0 . 15 4 2 5 6 6 . , 4 9 9 . 6 6 4 0一 P O 。 1 7 5 11 9 6 。 7 4 5 1 。 7 0 。 1 94 14 5 7 一 7 4 3 6 。 7 6 7 0一 P O 。 1 8 2 1 0 2 7 。 4 3 6 0 。 4 0 . 2 0 5 13 3 4 。 6 3 7了 。 8 5 00一 M O 。 0 7 1 1 4 5 1 。 9 1 01 5 。 4 0 。 1 9 0 2 2 2 1 。 2 69 2 。 2 5 5 0一 M O 。 0 3 3 1 08 2 。 8 9 11 。 0 0 。 1 9 2 1 9 8 9 。 3 60 0 。 2 6 0 0一 M O 。 0 0 7 8 2 9 。 2 7 96 。 1 0 。 1 99 1 8 1 0 。 1 5 3 8 。 7 6 50一 M 一 0 。 0 3 0 5 8 4 。 0 6 7 3 。 分 0 . 1 8 5 1 4 1 2 . 8 4 5 0 。 4 7 0 0一 M 一 0 。 0 4 5 4 7 9 。 4 5 9 7 。 0 0 。 1 8 3 1 2 4 3 。 3 4 0 2 。 l . . . . . , `二 = , = 丫 , t , 二 , . , , , 二 , , ` 二. . . . . 性, 曰, . 曰. . . . . . . . 臼甲 结果连同 相应的单向拉伸性能见表 3 , 表 中 P 为珠光体 , M 代表回火素 氏 体 。 图 3 为 应 变 步进增量 ( 如 : ) 与 循环应力一应变参数的关系 , 该图说 明改变应变步进增量会对轨钢的 循 环 应变行为产生 影响 , 且对两种组织的作用 规律基本相 同 。 . 、d昙 聋 ( a ) _ 一 才份 O 。 。 0 . 2 . 小 , 。 凡 , 1 . 、 、 闷… 1 、 … \ \ … 人 。 。 . ?’, O 止 \ \ 一助卜 肚卜| | 卜| 妇曰曰n ,乃土O心` 1乃通 伪」J 己芝\ 囚 . 一 。 工 3 0 0 J ZU () 寸一月 一 一卜一{ 。 · 15 {叫闷 一 州 户d目袱刀 卜艺比曰d 1 1 0 0 1 0 0 0 八` : , % 0 . 0 0 . 1 0 , 2 么a 工 , `沁 图 3 F 19 。 3 循环应力一应变参数与应变步进增量之关 系 D e P e n d e n e e o f i n e r e m e n t a l s t e P s t r a i n ( a ) 6 0 0 .c 一 P , ( b ) 7 0 0℃ 一 M C y e l i e s t r e s s 一 S t r a i n P a r a m e t e r s O`jJ月、 护nJ 3 讨 由图 1 可知 , 显 微组织对循环应变 行为的影响是巨大的 , 对珠光体 而言 , 随片 间距增大 , 对应的循 环 硬化范围越大 , 单调和循环应力 一应 变曲线 交点对应 的应变越小 。 将此 交点定义 为 循环 应变行为的临 界应变 , 用 。 C 表示 , 各等温温度下 的 。 。 值分 别 为 : 5 50 ℃一 1 。 0 沁 ; 2 3 6

600℃一0.68%；640℃一0.56%；670℃一0.36%。临界应变的意义是，应变大于8c时为循 环硬化，小于ec为循环软化，等于εc时组织处于相对稳定状态，即在应变ec处完成循环 软、硬化间的过渡。总之，临界应变幅越小，硬化程度越大，因此，转变温度高，片间距 大，对应的硬化幅就越大。图4直观地说明了这个问题。该图是图1中应变幅1.0%处的单调 一循环应力幅值差与等温及回火温度的关系，△0m-c=σ单调一σ环循，代表循环软化幅。图中 两组织均随转变温度的降低（对应细组织、高强度），软化程度加大，说明软材料的循环应 变性能优于硬材料，珠光体优于回火索氏体。由位错理论可知，当塑性形变使位错密度增加 时，流变应力因可动位错的增加趋于降低，因位错的可动性降低而增大。而珠光体，粗片间 距组织中的起始位错密度较低，易在较低的应力下产生大量位错可能是其循环应变性能优于 细片珠光体的原因所在。在循环塑性应变过程中，无论是循环硬化，还是软化，都是由于循 环载荷下位错结构，位错密度，排列及不同的交互作用所致。 1000 00 200 006.2 M 800 C 100 600 400 -100 500 600 700 T/℃ 200L 500 600 700 T/C 图4△e=1.0%时，△0m-c-T关系曲线 图500.2，σ0：2与转变温度之关系 Fig.4 The relationship between cyclic Fig.5 Monotonic and cyclic yield softening amplitudes and tran- stresses vs transformation sformation temperatures while temperatures △e=1.0% 金属及合金的循环应变行为是在交变载荷下出现的，反映了材料的疲劳特征。循环软、 硬化主要发生于循环的初始阶段（图2），起始软、硬化速率最大，随塑性应变的积累， 软、硬化速率逐渐减小，经过一定次数的循环后，减小为零，达到稳定或饱和状态，位错处 于动态平衡。这时的循环载荷滞后回线的形状一直到断裂之前的一瞬间基本不再改变了，因 此金属的疲劳过程应受饱和强度的控制，而不取决于单调强度。屈服强度条件下两组织的单 调及循环应力与转变温度的关系如图5所示。转变温度不同时，两组织的0.2近似平行， 循环应变后的σ。！2也平行，只是相对扭转一定角度，说明在不同的转变温度下，屈服强度 的相对软化程度相同，珠光体的软化幅远小于回火索氏体。如以循环屈服强度为标谁来比较 二组织的差异，550℃-P(g2'。=552MPa)和600℃-M(g。'2=539MPa)的0，.2相近，但 后者的屈服强度(796MPa)要比前若(609MPa)高近200MPa。由于两组织的原始状态、位错 237

60 0 ℃一。 . 68 % ; 6 40 ℃一。 . 65 肠 ; 6 70 ℃一。 . 63 % 。 临界应 变的意义 是 , 应变大于 。 C 时为循 环硬化 , 小于 。 。 为循环软化 , 等于 。 。 时组织处于相 对稳 定状态 , 即在应变 : 。 处 完成 循 环 软 、 硬 化间的过渡 。 总之 , 临界应变幅越小 , 硬化程度越大 , 因此 , 转变温 度 高 , 片 间 距 大 , 对应 的硬化幅就越大 。 图 4 直观地说明了这 个问题 。 该 图是图 1 中应变幅 1 。 0 %处 的单 调 一循环应 力幅值差与 等温及回 火温度的关系 , △a 。 一 。 = , 单调 一 。 环 循 , 代 表循环软化幅 。 图中 两组织均随转变温度的降低 ( 对应细组织 、 高强 度 ) , 软化程 度加大 , 说 明软材料的循 环应 变性能优于硬材料 , 珠光 体优于回 火索 氏体 。 由位错理论可 知 , 当塑 性形变使位错密度增加 时 , 流变应力因可 动位错 的增加趋于降低 , 因位错的可动性降低而增大 。 而珠光 体 , 粗片间 距组织 中的起始位错密度较低 , 易在较低的应 力下产生大量位错可能是其循 环应变性能优于 细片珠 光 体的 原因 所在 。 在循 环塑 性应变过程 中 , 无论是循环硬 化 , 还是软化 , 都是 由于循 环载荷 下位错结构 , 位错 密度 , 排列 及不 同的 交互 作用所致 。 O ! 疚 L \ 《 { 、卜、 ` . ~ .。 、 闪! 气 , .只心闷} 卜 !厂 . 》 1 0 0 0 八曰八U n 八曰ù ó nUl U 性0六月0D 匆艺\目闪甘 叭. b。 6 0 0 丁/ ℃ { 、1 { 一一 n ùnU八1 n ù n 上月工, ù . 山昌. \门匕甲三 2 0 0一渝 6 0 0 丁/ ℃ 图 4 △ ￡ = 工 。 。 % 时 , △cr 二 一 。 一 T 关 系曲线 F 19 . 4 T h e r e l a t i o n s h i P b e t w e e n e y e l i e 。 o f t e n i n g a m P l i t u d e s a n d t r a n - s f o r 位 a t i o n t e m P e r a t u r e s w h i l e △巴 = 1 。 O% 图 5 。 。 . 2 , 。 。 了 2 与转变 温度之关 系 F i g 。 5 M o n o t o o i e a n d e y e l i e y i e l d s t r e s s e s v s t r a n s f o r m a t i o n t e m P e r a t u r e s 金属 及合金 的循 环应变行 为是在 交变载荷下 出现的 , 反映 了材料的疲 劳特征 。 循 环软 、 硬化主要发生于循 环的 初始阶段 ( 图 2 ) , 起始软 、 硬 化速率最大 , 随塑 性应 变 的 积 累 , 软 、 硬化速率逐渐减小 , 经过一定次 数的循环后 , 减小为零 , 达到 稳定或饱和状态 , 位错处 于动态平衡 。 这 时的循 环载荷滞后回 线 的形状一直到 断裂之前的一瞬间基本不再改变了 , 因 此金属的疲 劳过程应 受饱和 强度的控制 , 而不取决于单调强度 。 屈服 强度条件下 两组织 的单 调及循环应力与转变温度的关系如图 5 所示 。 转变温度不 同时 , 两组织的 。 。 。 : 近似 平 行 , 循 环应变后的 a 。 ! : 也平行 , 只是相对扭转一定角度 , 说明 在不 同的转 变温度下 , 屈 服强 度 的 相对钦化程度相同 , 珠光 体的软化幅 远小 于回火索 氏体 。 如以循 环屈服 强度为标准来 比较 二组织 的差异 , 5 50 ℃ 一 P (叮 : 了 。 = 5 5 2 M P a ) 和 60 0 ℃ 一 M (叮 。 尹 : = 5 3 9 M P a ) 的 a 。 了 : 相 近 , 但 后 者的屈服 强度 ( 7 9 6 M P a ) 要比前者 ( 6o g M P a ) 高近 2 0 M P a 。 由于两 组织 的原始状态 、 位 错 2 3 7