周彬彬，于 鵬,常 樂，周昌玉，業(yè) 成，張伯君

(1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學, 江蘇 南京 210023)(2.南京工業(yè)大學, 江蘇 南京 211816)(3.南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院, 江蘇 南京 210028)

在設(shè)備制造、組裝及工程建設(shè)中，材料不可避免地會產(chǎn)生塑性變形，即出現(xiàn)預應變[1-4]。研究表明[5]，預應變能夠在一定程度上提高材料的屈服強度和抗拉強度，但會引起材料塑性和韌性的降低。對于均質(zhì)材料，因預應變處理引起的材料強度提高會導致高周疲勞壽命提高，而引起的塑性耗散可能導致低周疲勞壽命降低。對不同材料預應變后的低周疲勞研究表明，預應變對疲勞壽命的影響具有差異性。預應變會顯著抑制非對稱加載下工業(yè)純鈦的棘輪變形，降低循環(huán)變形過程中的應變幅，從而提高疲勞壽命[6,7]。而應變控制下，Q345R鋼循環(huán)變形過程中的應力幅在預應變后顯著提高，因此塑性損傷程度提高，疲勞壽命降低[8]。材料在塑性變形過程中會產(chǎn)生位錯和孿晶，從而影響后續(xù)的循環(huán)變形行為[9-11]。一方面，預應變過程中形成的位錯結(jié)構(gòu)將阻礙循環(huán)變形過程中位錯的產(chǎn)生，提高循環(huán)變形能力，因此材料的疲勞壽命提高[12]；另一方面，位錯與孿晶相互作用可能引發(fā)應力集中，促進微裂紋的形成，從而降低疲勞壽命?？梢?，預應變對材料疲勞壽命的影響需要結(jié)合材料的循環(huán)變形特性及顯微組織進行研究。

鋯-鈦-鋼爆炸焊接復合板在滿足耐腐蝕性、結(jié)構(gòu)強度等設(shè)計要求的情況下，大幅降低了純鋯設(shè)備的制造成本，在化工及核電工業(yè)中得到廣泛應用[13]。由于鋯-鈦-鋼復合板在生產(chǎn)過程中不可避免的會產(chǎn)生預變形，同時爆炸焊接工藝還會導致復合板界面產(chǎn)生脆性金屬間化合物，而金屬復合板組分材料間普遍存在力學性能差異，這都將導致金屬復合板低周疲勞行為顯著區(qū)別于均質(zhì)單一材料。

目前，預應變對低周疲勞行為影響的研究還局限于均質(zhì)單一材料，而對受預應變影響的金屬復合板低周疲勞行為的研究還未見報道[14,15]?；诖?，以鋯-鈦-鋼復合板為研究對象，研究其受預應變影響的低周疲勞行為，詳細探討加載參數(shù)及預應變對鋯-鈦-鋼復合板疲勞損傷、棘輪損傷、疲勞壽命的影響，為金屬復合板設(shè)備的安全運行提供理論依據(jù)和工程評價方法。

1 實 驗

實驗材料為爆炸復合Zr702/TA2/Q345R復合板，其Zr702純鋯層厚度2 mm，TA2純鈦層厚度1.8 mm,Q345R鋼層厚度8.2 mm。

采用線切割從復合板上切取低周疲勞試樣，取樣位置遠離復合板邊緣及爆炸中心。試樣標距段依次經(jīng)400#、800#、1200#、2000#砂紙打磨。疲勞試樣尺寸如圖1所示。

圖1 Zr702/TA2/Q345R復合板低周疲勞試樣尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of low cycle fatigue specimen of Zr702/TA2/Q345R composite plate

對金屬復合板進行預拉伸變形，可能導致結(jié)合界面初始缺陷被過分放大[16]，因此，宜采用低預應變水平進行探究。本實驗中，預應變水平分別設(shè)置為0%、2%、4%，應力幅σa分別設(shè)置為310、340、370 MPa，平均應力σm分別設(shè)置為0、30 MPa。低周疲勞實驗采用對稱及非對稱載荷加載，具體實驗方案如表1所示。

表1 Zr702/TA2/Q345R復合板預應變低周疲勞實驗方案

在MTS809疲勞試驗機上進行低周疲勞實驗，采用應力控制加載模式。實驗過程中，應力保持恒定，加載波形為三角波，加載速率為600 MPa/s。預應變拉伸方向與疲勞實驗載荷施加方向一致，為垂直于復合板軋制方向。實驗數(shù)據(jù)由MTS809疲勞實驗機自動記錄，當試樣標距段發(fā)生斷裂，低周疲勞實驗停止。用線切割方法從疲勞斷裂試樣標距段切取金相試樣，采用蔡司Axio Imager A1m光學顯微鏡觀察微觀組織。采用Phenom Pro X型掃描電子顯微鏡觀察疲勞試樣斷口形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 預應變對顯微組織的影響

不同預應變水平下Zr702/TA2/Q345R復合板的顯微組織如圖2所示。從圖2a～2f可以看出，Zr702純鋯和TA2純鈦中滑移帶和孿晶組織隨著預應變水平的提高而增加。Zr702純鋯及TA2純鈦原始組織為密排六方(HCP)結(jié)構(gòu)，在預應變后位錯密度顯著提高，產(chǎn)生的位錯纏結(jié)和塞積會阻礙新位錯的產(chǎn)生，進而導致材料的屈服強度提高[11]。從圖2g～2i可以看出，Q345R鋼層原始組織為鐵素體和珠光體，預應變前后并未觀察到顯著變化。

圖2 不同預應變下Zr702/TA2/Q345R復合板的顯微組織Fig.2 Microstructures of Zr702/TA2/Q345R composite plate under different pre-strain levels: (a,d,g) 0%； (b,e,h) 2%； (c,f,i) 4%

密排六方金屬對稱性低，獨立的滑移系少，且由于金屬鋯和鈦的軸比均小于理想軸比1.633，因此滑移方式復雜。盡管鋯材和鈦材空間獨立的滑移系數(shù)目較少，卻依舊擁有較好的塑性，這主要是由于孿晶對塑性變形的貢獻。研究表明，常溫下密排六方金屬材料很容易產(chǎn)生形變孿晶，而體心立方金屬只有在極低溫度或極高變形速率下才會產(chǎn)生形變孿晶[17-19]。孿晶提供的獨立切變、晶粒再取向和二次孿晶均有利于塑性變形，并且孿晶晶界可以阻礙位錯的運動，提高材料的強度，從而起到細晶強化的作用[20]。

2.2 預應變對低周疲勞行為的影響

2.2.1 預應變對循環(huán)變形行為的影響

一般而言，循環(huán)加載過程中應變范圍越大，材料的損傷累積程度越高。圖3為對稱及非對稱載荷下不同預應變水平Zr702/TA2/Q345R復合板應變范圍隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線。可以看出，預應變處理后，應變幅隨加載次數(shù)增加而提高，Zr702/TA2/Q345R復合板依舊表現(xiàn)出循環(huán)軟化特征，應變范圍相較于未經(jīng)預應變處理的試樣大幅提高。

對于Zr/Steel復合板，應力幅以及平均應力的提高都會促進應變范圍增加，加快塑性應變的累積[21]。從圖3a～3c可以看出，對稱應力控制時，預應變后的應變范圍相較于預應變前顯著提高。其中，2%及4%預應變水平下應變范圍相近，二者差異主要出現(xiàn)在加載后期及應力幅較高時。從圖3d～3f可以看出，非對稱載荷下，整個加載周期的應變范圍隨著預應變水平提高而增加。因此，相較于未預應變處理試樣，所有試樣循環(huán)軟化行為受到預應變的促進作用，應變范圍顯著提高。但是，并非所有加載參數(shù)下的應變范圍都隨著預應變水平提高而增大，圖3a和圖3b中，2%與4%預應變下的應變范圍十分接近。單一均勻Q345R鋼表現(xiàn)出循環(huán)軟化特征，而預應變處理會提前損耗Q345R鋼的塑性變形能力，提高其在循環(huán)變形過程中的損傷累積?？梢姡捎诨腝345R鋼在Zr702/TA2/Q345R復合板中占比高，復合板在預應變下的循環(huán)變形特性主要受到預應變后基材Q345R鋼的影響。

圖3 對稱及非對稱載荷下不同預應變水平Zr702/TA2/Q345R復合板應變范圍隨循環(huán)次數(shù)的變化Fig.3 Variation of strain range with cycle number of Zr702/TA2/Q345R composite plate under different pre-strain levels: (a，b，c) symmetrical stress control; (d，e，f) asymmetric stress control

研究表明，Zr/Steel復合板裂紋總是在鋯-鋼界面脆性金屬化合物或缺陷處萌生[21]，其循環(huán)變形行為及疲勞壽命受到取樣位置、結(jié)合界面缺陷和界面強度的顯著影響。并且，預應變后，Zr702/TA2/Q345R復合板組成材料的強度均得到了不同程度的提高，這導致微孔、塑性損傷及微裂紋更易在界面處形成，從而提高整體材料的應變范圍，影響整體材料的循環(huán)變形特征。

圖4給出了對稱及非對稱載荷下Zr702/TA2/Q345R復合板疲勞壽命隨預應變水平的變化。從圖4可以看出，除AS1組外，其余加載參數(shù)下預應變后的疲勞壽命較未經(jīng)預應變的下降。理論上，隨著預應變水平提高，材料塑性被提前損耗，應變范圍增加，循環(huán)加載過程中的塑性損傷程度也不斷提高，疲勞壽命因此下降。但是，圖4中，隨著預應變水平的進一步提高，2%及4%預應變下疲勞壽命的變化規(guī)律并不明顯，僅有S2組、AS2組和AS3組的疲勞壽命隨預應變提高而持續(xù)降低。

圖4 對稱及非對稱載荷下Zr702/TA2/Q345R復合板疲勞壽命隨預應變水平的變化曲線Fig.4 Variation curves of fatigue life with pre-strain levels of Zr702/TA2/Q345R composite plate: (a) symmetrical stress control; (b) asymmetric stress control

對單一均質(zhì)材料而言，應變幅大小直接決定了材料內(nèi)部塑性損傷累積程度，材料疲勞壽命主要取決于應變幅大小。在多數(shù)加載參數(shù)下，2%與4%預應變試樣的應變幅曲線比較接近(見圖3)，因此二者疲勞壽命之間的差異并不顯著。此外，與單一均質(zhì)材料相比，爆炸焊接復合板疲勞裂紋通常萌生于界面渦流區(qū)的脆性二次金屬化合物[21]，并且界面處夾雜、未熔合、脆性金屬間化合物及氣孔的存在都會影響疲勞壽命。可見，2%及4%預應變下應變幅的相似性，以及試樣之間界面結(jié)合質(zhì)量的差異性，是導致圖4中不同預應變下疲勞壽命變化規(guī)律不明顯的原因。

2.2.2 預應變對棘輪變形行為的影響

非對稱加載時，材料的循環(huán)軟化行為會促進棘輪應變的累積，循環(huán)硬化行為會抑制棘輪應變的累積[22]，而預應變處理引起的包辛格效應會抑制材料的棘輪變形。圖5給出了對稱及非對稱載荷下不同預應變水平Zr702/TA2/Q345R復合板棘輪應變隨循環(huán)次數(shù)的變化。圖5a和5b表明，未經(jīng)預應變處理的復合板在對稱應力控制加載模式下會發(fā)生緩慢的正向棘輪應變累積。不同于未經(jīng)預應變處理試樣緩慢增加的棘輪應變，預應變試樣的棘輪應變隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加而不斷下降，并且在穩(wěn)定循環(huán)階段一直保持下降趨勢。預應變水平越高，穩(wěn)定循環(huán)階段下的棘輪應變越低。根據(jù)包辛格效應[23]，材料經(jīng)過拉伸預應變后其壓縮屈服極限下降，這導致了Zr702/TA2/Q345R復合板出現(xiàn)反向棘輪應變累積。由于棘輪損傷由正向棘輪應變引起，因此預應變引起的反向棘輪應變導致棘輪損傷程度降低。

從圖5c可以看出，非對稱應力控制時，相較于未經(jīng)預應變處理的試樣，預應變處理后的試樣依舊出現(xiàn)顯著的反向棘輪應變累積，且2%及4%預應變水平下棘輪應變十分接近。圖5d中，由于棘輪應變在加載后期快速增加，使得加載初期的反向棘輪應變累積相比之下并不明顯。棘輪應變直接取決于平均應力大小，并且在高應力幅時對平均應力的敏感程度更高[22]，因此，圖5a～5d中加載后期棘輪應變都出現(xiàn)了快速增加，數(shù)值為正，即棘輪應變累積方向與載荷加載方向一致。

圖5 對稱及非對稱載荷下不同預應變水平Zr702/TA2/Q345R 復合板棘輪應變隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.5 Variation curves of ratcheting strain with cycle number of Zr702/TA2/Q345R composite plate under different pre-strain levels: (a，b) symmetrical stress control; (c，d) asymmetrical stress control

為進一步明確預應變對棘輪應變的影響，圖6給出了不同加載條件下Zr702/TA2/Q345R復合板0.5Nf及0.9Nf處棘輪應變隨預應變水平的變化規(guī)律。圖6表明，穩(wěn)定循環(huán)階段0.5Nf處的棘輪應變變化更能反映預應變對整體材料棘輪變形的影響。0.5Nf處的棘輪應變變化規(guī)律表明，預應變降低了對稱及非對稱加載下材料的棘輪應變，抑制了棘輪損傷的產(chǎn)生，理論上可以提高材料的疲勞壽命。這表明，0.5Nf處棘輪變形特征隨預應變水平變化規(guī)律明顯優(yōu)于0.9Nf處。這是由于0.9Nf處于循環(huán)變形后期，復合板的循環(huán)變形行為開始受到其界面脆性金屬間化合物脆性開裂的強烈影響[21]，在此時預應變對循環(huán)變形特征的影響不再顯著。

圖6 對稱及非對稱載荷下Zr702/TA2/Q345R復合板0.5Nf及0.9Nf處棘輪應變隨預應變水平的變化曲線Fig.6 Variation curves of ratcheting strain at 0.5Nf and 0.9Nf with pre-strain levels of Zr702/TA2/Q345R composite plate: (a) symmetrical stress control; (b) asymmetrical stress control

盡管預應變抑制了棘輪變形，降低了棘輪損傷，但是提高了應變范圍，導致循環(huán)載荷下的塑性損傷累積程度提高，提高了疲勞損傷程度。此外，預應變處理增加了渦流區(qū)脆性化合物與周邊材料的變形不協(xié)調(diào)，引起的組分材料增強導致結(jié)合界面更加脆弱，并且放大了界面處的原始缺陷。

2.2.3 低周疲勞斷口分析

圖7為應力幅340 MPa時，Zr702/TA2/Q345R復合板在不同預應變水平下的疲勞斷口形貌。對比圖7a、7c可以看出，預應變后瞬斷區(qū)塑性變形程度略高、面積略大。疲勞壽命的差異還體現(xiàn)在裂紋萌生階段和預應變導致的塑性變形能力變化。預應變后，材料剩余塑性變形能力大幅下降，內(nèi)部損傷更早形成[24]，并且預應變導致的組分材料屈服強度提高及脆性化合物處的變形不協(xié)調(diào)導致界面更易損傷，疲勞壽命較未預應變時下降。

圖7 應力幅為340 MPa，Zr702/TA2/Q345R復合板在不同預應變水平下的疲勞斷口形貌Fig.7 Fracture morphologies of Zr702/TA2/Q345R composite plate under different pre-strain levels with stress amplitude of 340 MPa: (a,b) 0%； (c，d) 2%

預應變提高了位錯密度，導致位錯滑移時更容易發(fā)生交截和纏結(jié)，提高后續(xù)位錯滑移的阻力[11]，這是屈服強度隨預變形水平提高而增加的原因。并且預變形會提高試樣表面及內(nèi)部微裂紋缺陷的形成數(shù)量。裂紋萌生于界面脆性化合物，因此呈現(xiàn)出多源性，預應變水平的提高增加了界面損傷的機率。對比圖7b、7d可以看出，預應變前，裂紋萌生于脆性化合物，并向兩側(cè)材料穩(wěn)定擴展，擴展平面在化合物及組分材料內(nèi)平整均勻；預應變后，裂紋源區(qū)形貌變得不再平整，裂紋擴展平面出現(xiàn)變化，這表明預應變后脆性化合物與母材之間的變形不協(xié)調(diào)使裂紋更傾向于沿著脆性化合物邊界擴展。此外，預應變導致界面初始缺陷被放大，并且組分材料強化導致界面更加脆弱。由于復合板脆性裂紋萌生的多源性，不同萌生位置的裂紋擴展平面相互交匯，形成明顯的撕裂棱及裂紋“爬坡”現(xiàn)象[25]。

圖8為不同預應變下Zr702/TA2/Q345R復合板各層材料的疲勞斷口形貌。從圖8a和8d可以看出， 預應變前后Zr702純鋯裂紋擴展平面中的撕裂棱特征明顯，并伴隨有很淺的疲勞輝紋及韌窩；預應變后，變形滑移帶則更長、更明顯。此外，Zr702純鋯中沒有觀察到具有明顯方向性的微裂紋，這表明微裂紋并非形成于裂紋擴展過程中，可能是爆炸焊接后覆材組織中形成的初始缺陷。從圖8b和8e可以看出，預應變前后TA2純鈦中都存在密集的疲勞輝紋和明顯的撕裂棱特征，但鈦材中疲勞輝紋的方向性不如鋼材；預應變后，鈦材中疲勞輝紋特征變淺，撕裂棱特征也略微減少，并且能夠觀察到明顯的變形滑移帶。從圖8c和8f可以看出，Q345R鋼中疲勞輝紋特征和二次裂紋特征顯著，伴隨少量撕裂棱特征；預應變后，Q345R鋼中疲勞輝紋特征變淺，方向性變差。

圖8 不同預應變下Zr702/TA2/Q345R復合板各層材料的疲勞斷口形貌Fig.8 Fatigue fracture morphologies of each layer of Zr702/TA2/Q345R composite plate under different pre-strain levels: (a) Zr702 pure zirconium，0%；(a) Zr702 pure zirconium，0%；(b) TA2 pure titanium，0%；(c) Q345R steel，0%；(d) Zr702 pure zirconium，2%；(e) TA2 pure titanium，2%；(f) Q345R steel，20%

斷口觀察表明，預應變后，疲勞輝紋特征變淺且方向性變差，鋯材和鈦材中出現(xiàn)明顯的變形滑移帶。循環(huán)載荷下，疲勞裂紋尖端不斷發(fā)生鈍化再銳化，裂尖損傷逐漸發(fā)展，形成疲勞輝紋特征。預應變產(chǎn)生的位錯及孿晶會阻礙循環(huán)加載過程中新位錯的產(chǎn)生[22]，從而提高抗裂紋擴展阻力，這是預應變后疲勞輝紋特征減少的原因。此外，預應變處理提高了材料強度，導致材料后續(xù)塑性變形能力降低，裂尖的鈍化再銳化程度降低，疲勞輝紋特征不再明顯。

3 結(jié) 論

(1) 預應變提高了Zr702/TA2/Q345R復合板各層材料的屈服強度。預應變后，鋯材及鈦材中的位錯及孿晶結(jié)構(gòu)大量增加，而基材Q345R鋼的組織未發(fā)生顯著變化。

(2) 預應變提高了Zr702/TA2/Q345R復合板循環(huán)變形過程中的應變范圍，促進了塑性損傷累積，加快了損傷的形成，導致疲勞壽命降低。

(3) 盡管預應變抑制了Zr702/TA2/Q345R復合板低周疲勞過程的棘輪變形，降低了棘輪損傷，但是提高了應變范圍，導致循環(huán)載荷下的塑性損傷累積程度提高，提高了疲勞損傷程度。