本研究采用轧制和热处理方法生产厚钢板，用于测试不同铁素体颗粒尺寸、硬质相形态、分数和硬度，但抗拉强度相同。 对试验中使用的厚钢板的疲劳强度进行了研究。 并对与疲劳强度密切相关的力学因素进行了研究。 本研究还采用疲劳微裂纹扩展模型来模拟铁素体晶体中疲劳裂纹扩展至硬质相的行为，并将模拟结果与试验结果进行对比分析。 此外，研究分析了疲劳裂纹萌生形貌、位错基体结构等显微组织与疲劳强度的相关性，推导了利用结构参数预测疲劳强度的预测公式。
2 试验用钢及试验方法
2.1 测试用厚钢板
表1所示为试验所用厚钢板的化学成分。 试验钢锭在实验室内熔炼，按照表2条件在实验室内对钢锭进行热轧和热处理，制成厚度为20mm的试验用厚钢板。 钢板的轧制方向、垂直于轧制方向的方向和厚度方向分别表示为L、T和S。 板厚中心ST表面显微组织：试验用厚钢板IFNP的组织为孤立铁素体，被网状珠光体覆盖。 试验中使用的厚钢板IFNM的组织为孤立铁素体被网状马氏体覆盖。 本文仅将珠光体组织和回火马氏体组织称为硬质相。
如表2所示，在IFNP和IFNM开孔后，对钢坯进行固溶处理，以消除组织的各向异性。 固溶处理后钢坯重新加热热轧成20mm厚钢板，空冷，钢板正火炉冷。 然后，将正火钢板在奥氏体-铁素体两相区760℃的温度下加热1小时，对IFNP钢板进行炉冷，对IFNM钢板进行水冷。 这种两相区温度热处理方法使C在珠光体和铁素体晶界富集，奥氏体在珠光体和铁素体晶界优先析出，在冷却过程中发生硬质相变，从而形成奥氏体组织其中孤立的铁氧体被硬相网络覆盖。 IFNM 在两相区进行处理，然后回火。 表1中IFNP和IFNM的C含量测定方法是利用-Cal c软件计算各组分系列的平衡状态图。 然后设定C含量(0.22%)，使得加热至760℃的IFNP中的铁素体分数/奥氏体分数为50%/50%。 设定C含量(0.08%)，使得加热至760℃时IFNM中的铁素体分数为85%/奥氏体分数为15%。
对比材料FUDP钢的组织为块状珠光体均匀弥散在铁素体基体上。 FUDP钢的制造方法是钢坯开坯后，将钢坯重新加热，热控轧制成厚度为20mm的钢板，并加速冷却。
试验钢显微组织定量结果如表3所示。各试验厚钢板的ST面、LT面、LS面组织均为均匀组织。 因此，采用网格截面法对板厚中心各面的多张显微组织照片进行了L方向、S方向、T方向的测量。 铁素体晶粒尺寸和方向上的铁素体晶粒间距被平均。 IFNP、IFNM和FUDP中的硬相体积分数分别为0.58、0.17和0.16。 三种试验钢板的铁素体硬度基本相同，但硬质相的硬度不同。
2.2 机械性能
试验所用厚钢板的静态拉伸性能如表4所示。拉伸试样取自板厚中心T方向。 样品为直径6mm、标距25mm的圆棒样品。 表中数据为两个样本的平均值。 三种试验钢板的抗拉强度基本相同。 FUDP的应力-应变曲线是屈服点型曲线，因此将上屈服点视为FUDP的静态屈服强度(ic)。 IFNM和IFNP的应力应变曲线为圆顶形曲线，因此取0.2%屈服强度作为IFNM和IFNP的静态屈服强度()。 在板厚中心取2mm V 型缺口全尺寸夏比冲击试件，将冲击裂纹扩展方向设为L 方向。 冲击试验温度为0℃。 表4中的冲击吸收能量是三个样品的平均值。 铁素体晶粒粗大的 IFNP 和 IFNM 韧性较低。
2.3 疲劳试验
疲劳试件是在厚钢板厚度中心沿T方向截取进行测试。 样品的形状和尺寸如图1所示。疲劳试验条件：室温大气环境，循环次数20Hz，应力比（R）0.1。 将疲劳循环次数达到2×106时应力幅的上限视为疲劳极限（Δσw）。 利用SEM观察接近疲劳极限的试样断裂面，以研究断裂起源和裂纹扩展行为。 另外，对达到疲劳极限的试件表面进行研磨，直至可以识别钢结构的程度。 试件经硝酸酒精腐蚀后，用数码显微镜观察试件表面的裂纹。 根据达到疲劳极限的样品标距，制备薄膜样品并进行 TEM 观察，以研究铁素体晶体内和铁素体/硬质相界面处的位错结构。 在本研究中，在疲劳试件的标距长度处安装了塑料应变仪，以测量试件的应力-应变曲线。 在大气、室温、0.1Hz、R=0.1条件下，绘制应力-应变磁滞回线，找出各载荷应力磁滞回线稳定时的最大应力-最大应变点。 疲劳试验中的载荷应力有多个级别，应力大小逐级增大。 将不同载荷应力水平下获得的稳定磁滞回线的最大应力-最大应变点连接在一起，形成疲劳循环的应力-应变曲线。
从厚钢板的厚度中心取厚度为12.5mm的循环疲劳试件（CT试件）进行测试。 试样尺寸和试验方法按照ASTM E647（金属材料疲劳试验的疲劳裂纹扩展方法）进行。 疲劳试验中疲劳裂纹扩展的条件为室温大气环境、循环次数20Hz、应力比(R)0.1。 将塑料应变片贴在疲劳试件的背面，采用卸载弹性柔量法计算疲劳试验中的裂纹长度，并换算成裂纹扩展速率（da/dN）。 设定疲劳载荷，使裂纹从试样缺口底部扩展3mm时的应力扩展系数(ΔK)为15MPa·m1/2。 裂纹从试样缺口底部扩展3mm后，进行ΔK逐渐减小试验，计算下限应力膨胀系数（ΔKth）。
当疲劳循环次数为2×106时，裂纹扩展量小于0.5mm(裂纹扩展速率小于2.5×10-10m/循环)时的ΔK为ΔKth。 预试验中，在试样两侧安装裂纹测试仪测得的平均裂纹长度与卸载弹性柔量法测定的平均裂纹长度相同。
3 测试结果
3.1 疲劳循环应力应变曲线
三种试验钢的疲劳循环应力-应变曲线如图2所示。由这些曲线求得的FUDP上屈服点以及IFNP和IFNM的0.2%屈服强度作为疲劳循环屈服强度（），表 4 列出了 IFNP、IFNM 和 FUDP。 IFNM 最低。 此外，IFNM 和 FUDP 基本相同，没有变化。 但 I FNP 的 ic 比率很高。
IFNP应变最大时的磁滞回线与通常的交替（R=-1）磁滞回线不同，表现出弹性变形的特征。
3.2 疲劳裂纹扩展曲线
ΔK锥度试验得到的三种试验钢的疲劳裂纹扩展速率如图3所示。由图可知，ΔK锥度试验中ΔK在达到ΔKth的过程中，da/dN按IFNM<的顺序递减。 IFNP<FUDP。 此时IFNP、IFNM、FUDP的ΔKth值分别为8.6MPa·m1/2、10.4MPa·m1/2、7.8MPa·m1/2。 IFNM 具有最高的 ΔKth 值。
3.3 疲劳强度
试验中使用的三块厚钢板的SN曲线如图4所示，其中IFNP、FUDP和IFNM的Δσw分别为。 IFNP、FUDP、IFNM的σw、max/TS（疲劳极限最大应力值与TS的比值）分别为0.74、0.79、0.84。 三种试验钢板的TS相同，但疲劳强度不同。 在105次疲劳循环的应力范围内，IFNM和FUDP的疲劳强度基本相等，但在长疲劳寿命大于105次疲劳循环的应力范围内，
FUDP的疲劳强度小于IFNM的疲劳强度。 即，IFNM的疲劳寿命-疲劳应力曲线的斜率小于IFNP和FUDP的疲劳寿命-疲劳应力曲线的斜率。 在疲劳循环次数大于106的高循环区，IFNM的疲劳寿命大于IFNP和FUDP。
观察接近疲劳极限断裂的 IFNP（Δσ =，Nf = 次）和 IFNM（Δσ =，Nf = 次）试样断裂表面的 SEM 图像。 结果表明，IFNP在样品表面引发疲劳裂纹，且疲劳裂纹呈放射状扩展直至样品断裂。 IFNM也会在样品表面引发疲劳裂纹，疲劳裂纹扩展直至样品断裂，但断裂形貌为宽台阶形，带有尖锐的角状起伏。 该断口形貌表明马氏体对疲劳裂纹扩展起到阻碍作用。
观察已达到疲劳极限且未断裂的IFNM样品的表面裂纹，发现IFNM的铁素体晶体内部产生了约20μm的微裂纹，但微裂纹周围的马氏体阻止了微裂纹的扩展。 对达到疲劳极限且未破裂的IFNP样品表面进行观察，未发现明显的疲劳微裂纹。
4 测试结果分析
4.1 疲劳强度和屈服强度
钢材的屈服强度与裂纹张开量、裂纹前端塑性区等断裂力学参数密切相关。 本研究分析了疲劳强度和屈服强度之间的关系。 图5显示了用于测试的三块厚钢板的σw、max和σw之间的关系。 图中还显示了S25C-S55C钢过去的测试数据（107疲劳极限）以进行比较。 FUDP 的 ≈σw, max 在钢的过去测试数据范围内。 与此不同的是，IFNP和IFNM的<σw,max超出了钢材过去的测试数据范围。 图6是以疲劳试验的最大应力值σmax归一化的疲劳SN图。 铁素体-珠光体组织中IFNP和FUDP的σw、max值与铁素体-马氏体组织中IFNM基本相同，均低于IFNP和FUDP。 结果是σw,max/为1.4，大于疲劳极限。
4.2 疲劳微裂纹扩展模型
IFNM铁氧体中的疲劳微裂纹是裂纹前沿滑移区被硬质相包围的结果，硬质相阻碍了微裂纹的扩展。 基于这一认识，利用等人的疲劳微裂纹扩展模型分析了 IFNM 和 IFNP 的疲劳微裂纹扩展行为。
假设粒径为2d的铁素体晶粒中存在长度为2a的疲劳微裂纹。 当铁素体晶粒被硬质相包围时，最初，裂纹前沿滑移区不与硬质相相互作用。 发生伸长（ESB：平衡滑移带）。 当滑移带的前端到达铁素体晶界时，滑移带受到硬质相的影响而伸长（PSB：扩展滑移带）。 设铁素体晶粒和硬质相的屈服强度分别为σα和σH，且铁素体晶粒和硬质相的弹性模量和泊松比相等。 本模型的应力范围：受到Δσ作用时的疲劳微裂纹前张位移Δφt的计算结果（R=-1拉压交变疲劳载荷时的疲劳微裂纹前张位移值）如图7所示图7的纵坐标为归一化的Δφt，纵坐标中A=μ/[2π(1-ν)]（μ：剪切弹性模量，ν泊松比）。 图7中的σα/σH采用表3中的HVα和HVH。计算Δσ/2σα=0.50和0.99的两种实际情况。
在Δσ/2σα=0.50和0.99的条件下，当IFNM和IFNP处于ESB时，Δφt随着a/d的增加成比例增加。 当 IFNM 和 IFNP 处于 PSB 时，随着裂纹前沿接近硬相，Δφt 减小。 而且，IFNM的Δφt的降低幅度很大。
由于 Δφt∝ΔK2 处于小范围屈服状态，本研究考察了 Δφt [IFNP]/Δφt [IFNM] 与 (ΔKth[I FNM]/ΔKth[I FNP]) 2 对于 a=d 的相关性。结果表明，当Δσ/2σα=0.50时，Δφt[IFNP]/Δφt[IFNM]=1.46钢材的屈服强度表，与(ΔKth[IFNM]/ΔKth[IFNP])2=1.46相同。 当Δσ/2σα=0.99时，Δφt[IFNP]/Δφt[IFNM]=1.56，与(ΔKth[IFNM]/ΔKth[IFNP])2=1.46相差不大。
对疲劳循环次数为2×106次时未断裂的IFNP IFNM试件的观察结果是，在IFNP试件上未观察到裂纹状损伤，而在IFNM试件的马氏体组织中观察到块状铁素体。 块体颗粒内裂纹的扩展被停止。 也就是说，疲劳循环将铁素体周围的硬质相转变为更强的马氏体，阻止滑移带的移动钢材的屈服强度表，从而防止疲劳裂纹的扩展。 这种情况对应于图4所示的情况，其中在低应力区域，IFNM的疲劳寿命比IFNP和FUDP长。
4.3 位错的基体结构
本研究从达到疲劳极限的IFNP和IFNM样品的标距区域取样，制作薄膜样品进行TEM观察。 为了进行比较，还对 IFNM 静态拉伸试样标距区域的薄膜样品进行了 TEM 观察。 观察区域是铁素体晶体和铁素体/硬质相界面。 结果表明，IFNM静态拉伸试样的铁素体晶内位错密度较高，且处于无序状态。 另外，马氏体界面处的铁素体晶内位错密度较低，马氏体/铁素体界面处基本不存在位错积累。 疲劳极限IFNP样品在铁素体晶体内和接近珠光体的铁素体晶体内具有发达的网格结构。 疲劳极限 IFNM 样品的铁素体晶体内的晶格结构比 IFNP 样品的晶格结构明显更加发达。 此外，疲劳极限IFNM试件中马氏体界面的铁素体侧存在明显的位错积累。 在更高放大倍数下观察疲劳极限试件发现，与IFNP试件相比，IFNM试件的铁素体晶体内和硬质相界面处的网格状组织壁由密度更高、厚度更厚的位错群组成。 。
IFNM样品的铁素体晶体中发育良好的网格结构成为样品表面的常驻滑移带（PSB），并成为铁素体晶体中疲劳裂纹的起点。 然而，由于铁素体/马氏体界面处位错的大量积累，铁素体晶体中疲劳裂纹前沿滑移区的运动被高硬度马氏体阻挡，导致疲劳裂纹驻留在铁素体中。 水晶之内。
4.4 疲劳强度估算
在本研究中，观察到疲劳极限 IFNM 样本中的常驻裂纹。 由于 IFNM 试样中的硬质相/铁素体界面比其他试验钢具有更强的抗疲劳裂纹扩展能力，因此很容易观察到 IFNM 试样中的驻留裂纹。 IFNM 的疲劳极限基本上对应于铁素体晶体内的裂纹驻留。
钢材的疲劳极限σw随着颗粒尺寸2d的减小而增大，可表示为Petch公式（1）。
Δσw=Δσ0 kf/（2d）1/2
(1)
式中，Δσ0：疲劳滑移区位错运动摩擦力对应的应力值，kf：晶界对滑移扩展的抵抗力。
如4.2节所示，当铁素体晶粒中的疲劳裂纹延伸超出铁素体晶界进入硬质相时，相邻晶粒的屈服强度越高，越容易阻止裂纹前滑移区的移动，因此可以认为铁素体晶界处的裂纹扩展驱动力降低。 即晶界对滑移区运动的阻力取决于铁素体晶界两侧前方的结构强度。 如果用硬度来表示屈服强度，则铁素体与硬质相的硬度差可表示为式（2）。
ΔHν=HνH-Hνα
(2)
ΔHν为铁素体晶粒内裂纹前沿滑移带向相邻晶粒移动时的晶界阻力值。 即，ΔHν增大，使得等式(1)中的kf增大。 ΔHν可根据表3中各相的硬度值计算。
对ΔHν/(2d)1/2与Δσw之间的关系进行分析研究，发现三种不同组织的试验钢的Δσw与ΔHν/(2d)1/2均呈线性关系。 图中的实线是根据这些数据得到的Δσw回归方程(3)的直线。
Δσw=277 3.82 (ΔHν/(2d)1/2) (3)
由式（3）可知，铁素体-硬质相钢的铁素体粒径越小、铁素体与硬质相的硬度差越大，钢的疲劳极限越高。
式（3）为本研究中相同铁素体硬度条件下得到的回归方程。 当硬质相的硬度不变，但添加Cu、Ni等对铁素体进行固溶强化时，ΔHν减小，Δσ0增大。 另外，当铁素体被硬质相包围时以及当硬质相分散在铁素体中时，疲劳强度估计式发生变化。 这是未来的研究课题。
最后，本研究仅以钢材的疲劳强度为研究对象。 为了消除表4中低韧性低屈强比IFNM钢的疲劳强度、韧性和屈服强度之间的矛盾关系，还需进一步研究。
5 结论
本研究得出以下结论。
1) 三种试验所用厚钢板的抗拉强度相同，但疲劳极限不同。 疲劳限值从低到高的顺序为：IFNP()、FUDP()、IFNM()。 另外，试验中使用的三块厚钢板的极限应力膨胀系数值为，IFNP：8.6MPa·m1/2、IFNM：10.4MPa·m1/2、FUDP：7.8MPa·m1/2 。 IFNM之所以具有最高的极限应力膨胀系数值，是因为IFNM疲劳极限材料的铁素体晶体中产生了20μm左右的疲劳微裂纹，但疲劳微裂纹周围的马氏体阻止了疲劳微裂纹的扩展。
2）铁素体-珠光体结构钢IFNP和FUDP的疲劳极限与疲劳循环屈服强度相同。 然而，铁素体-马氏体钢IFNM的疲劳极限大于疲劳循环屈服强度。
3)本研究采用微裂纹扩展模型来模拟分析IFNP和IFNM铁素体向硬质相的晶内疲劳裂纹扩展行为。 根据计算结果，随着裂纹前端继续接近硬质相，两种钢材的裂纹前端张开位移均减小，其中IFNM的裂纹前端张开位移显着减小。 计算得到的裂纹前张位移与试验得到的极限应力膨胀系数值具有良好的相关性。
4）与IFNP疲劳极限材料相比，IFNM疲劳极限材料在马氏体界面铁素体侧有明显的位错积累。 因此，在IFNM疲劳极限材料中，铁素体晶体中疲劳裂纹前沿滑移区的移动被高硬度马氏体阻挡，从而在铁素体晶体中形成了驻留裂纹。
5）使用Petch公式估算了试验中使用的三块厚钢板的疲劳极限。 估计预测公式表明，铁素体-硬质相钢的铁素体粒径越小、铁素体与硬质相的硬度差越大，钢的疲劳极限越高。 （高红石）
