超细片状晶粒铜的棘轮行为研究
【摘要】本文对近几年在金属材料特别是超细晶材料研究相关的棘轮行为、微观损伤机理、棘轮-疲劳交互作用、棘轮行为的演化规律以及其中的特性进行了简略的描述和评价。
【关键词】超细晶、棘轮行为、损伤机理、棘轮-疲劳交互作用
1前言
棘轮行为是材料在非对称应力循环加载条件下产生的一种塑性变形的循环累积现象，其中也伴随着与疲劳的交互作用。棘轮变形的每一次循环都会使塑性变形量逐渐积累，并有可能最终导致构件尺寸变化超标乃至破环失效；同时材料的疲劳寿命也大幅度降低。在最近几年中，纳米晶体结构材料和尺寸在100 nm至1 mm以下的超细晶粒（UFG）的材料的机械性能受到了相当大的科学关注和技术关注，超细晶材料有着诸多优异的性能，而由ECAP制备的UFG材料的循环变形和疲劳行为直到最近才被更系统地研究，该材料的棘轮行为特征和损伤机理还有待探索和发现[14][15]。
2材料棘轮行为研究现状
2.1国内研究情况
在不对称应力控制下的超细晶纯铜的循环蠕变研究中，通过改变应力振幅和平均应力对ECAP后的纯铜做了详细的讨论，研究结果表明：（1）棘轮应变的积累可根据应变率的变化分为初级、次级、第三级三个阶段。（2）当平均应力或应力幅增加时，棘轮应变及其速率增加，棘轮寿命降低。（3）在高峰值应力下，周期性蠕变控制整个破环过程；否者，循环蠕变和疲劳的交互作用是主要的破坏形式[1]。
在康国政的研究中，通过在室温下进行应力控制的循环试验，观察了几种具有不同晶体结构或断裂能值的金属的单轴棘轮行为。研究的金属包括316L不锈钢、纯铜、纯铝和普通20＃碳钢。还研究了施加的平均应力，应力幅度和应力比对单轴棘轮的影响研究发现：（1）在非零平均应力的单轴应力控制循环拉伸压缩试验下，上述金属具有明显的棘轮行为。棘轮行为取决于所施加的平均应力，应力振幅和应力比。（2）在规定的金属中观察到不同的循环软化/硬化特征。FCC金属，即固溶热处理的316L不锈钢，退火的纯铜和退火的纯铝呈现明显的循环硬化，并且316L不锈钢或纯铜的循环硬化程度高于纯铝。而BCC 20＃碳钢可以作为循环稳定材料。3）规定金属的棘轮行为在现象学上取决于宏观尺度上呈现的金属的循环软化/硬化特征，而不是直接取决于晶体结构和缺陷能的值。纯铝在三种规定的FCC金属中表现出最显着的棘轮性能，这是由于其故障能量最高且循环硬化最弱。由于BCC 20＃碳素钢的循环稳定特性，其棘轮作用比三种规定的FCC金属的棘轮作用更为显着[2]。
其中还有研究循环蠕变下裂纹扩展速率的研究，为了充分考虑机械疲劳与蠕变的交互作用和进行更加精确的计算，该研究发现：通过对循环蠕变迟滞徊线的分析，可见循环蠕变的加速性，实质是表达了机械疲劳与蠕变交汇作用材料损伤的加速，对裂纹扩展的加速。对静蠕变做累积性损伤的修正后，则可以循环蠕变的应变，计算蠕变能密度，及循环蠕变的能量密度 [3]。
