烧结316L不锈钢粉末多孔材料的KIC性能研究

2019-01-10田晨超

西安文理学院学报（自然科学版） 2018年6期

许飞，田晨超，焦磊

(西北有色金属研究院材料分析中心,西安 710016)

断裂韧度是材料应力强度因子的临界值，它表征了材料阻止裂纹扩展的能力，是衡量材料韧性好坏的一个定量指标[1].断裂韧度往往受到加载速度、试验温度、第二相离子或夹杂、晶粒尺寸大小的影响[2].对于烧结金属粉末多孔材料，由于材料中存在大量连通或半连通的孔、封闭的孔，材料的强度、韧性相比致密材料下降很多，虽然当裂纹通过时孔洞可能会阻止裂纹在致密基材骨架中的扩展，但由于孔的存在实际上减小了材料的受力面积，材料中已存在的孔可以认为是已存在的微裂纹或裂纹，孔的尖角会导致应力集中，裂纹更利于扩展，所以烧结金属粉末多孔材料的断裂韧度会大幅降低.

1 疲劳裂纹预制及裂纹的观察

烧结316L不锈钢粉末多孔材料样品疲劳裂纹的预制是在长春仟邦产QBG-50高频疲劳试验机上进行的.

图1 致密316L不锈钢表面裂纹金相图×200

图1是对致密316L不锈钢板疲劳裂纹的观察，发现裂纹萌生后，扩展过程中表现为穿晶或沿晶扩展.裂纹的萌生一般在晶界处,或者夹杂物与第二相或基体的界面上.

图2是1 200 ℃烧结三种孔隙度316L不锈钢粉末多孔材料裂纹表面的SEM图.由于材料中存在大量的孔，大部分孔是不规则形的，角形孔或孔簇较多的地方在载荷作用下，尖角处会产生应力集中而成为裂纹萌生处，尤其在孔隙率较大的试样中，这种现象更明显.发现裂纹总是沿着烧结颗粒边缘、孔隙等结构薄弱环节扩展.

(a) 23.5%孔隙度样品SEM图×40

(b) 23.5%孔隙度样品SEM图×200

(d) 27.8%孔隙度样品SEM图×200

(e) 31.6%孔隙度样品SEM图×40

(f) 31.6%孔隙度样品SEM图×200

2 孔隙度对试样KIC性能的影响

将预制好裂纹的样品在Instron 1185试验机上进行拉断实验，拉伸速率0.5 mm/min，采用COD引伸计记录位移的变化，记录的P-V曲线图如图3.将拉断后的试样用读数显微镜测量其裂纹长度，共测5组，最大值和最小值与平均值的偏差应在10%以内，否则试验无效.将FQ、B、W等参数带入公式(1)计算材料的KQ值.

(1)

式中：FQ——特定的力值/kN；B——样品厚度/m；W——有效宽度/m.

试验结果须同时满足Fmax/FQ≤1.10，a≥2.5(KQ/Rp0.2)2的判据，此时KIC=KQ.

(a) 1 150 ℃烧结

(b) 1 200 ℃烧结

图4为1 200 ℃烧结7个孔隙度下试样的KIC平均值.虽然随着孔隙度的升高，样品的KIC值表现出下降趋势，但并不呈线性下降.孔的存在对断裂韧度的影响可以理解为夹杂物与第二相的尺寸及间距的影响.孔的形状越大，孔与孔之间的间距越小，样品的断裂韧度就越低.烧结316L不锈钢粉末多孔材料的微观结构包括晶粒尺寸和形状、气孔大小和分布、杂质缺陷及晶界等.气孔为脆性第二相，尽管分布杂乱无章，但有部分会沿变形方向分布，降低了材料局部塑性变形能力，使得裂纹更容易扩展，从而降低了断裂韧度.此外，孔的形状也影响断裂韧度.球形孔的边缘呈弧状，导致应力分散；针状或长条状孔的边缘有些为锐角，它们周围的应力比球形孔的集中，所以球形孔对断裂韧度的影响远比针状或长条状孔的小[3-4].

1 200 ℃烧结的316L不锈钢粉末多孔材料的KIC性能高，这是由于其烧结颈发育情况更好.相同烧结温度下，烧结316L不锈钢粉末多孔材料的KIC性能随孔隙度的升高而呈下降趋势，但断裂韧度与孔隙度是一种非单调的函数关系[5-6].假定孔为球形且分布均匀，当裂纹通过孔洞时有可能会阻止裂纹在基材骨架中的扩展，因此除了总孔隙度之外，还应考虑孔结构的其他特征量，如孔的大小、孔的形状、孔的分布等.

3 烧结温度对试样KIC性能的影响

虽然烧结316L不锈钢粉末多孔材料的KIC性能与孔隙度是一种非单调的函数关系，但如图5烧结温度的提高仍显示出对断裂韧度的提升.烧结温度的提高会改善烧结颈的发育情况，增强烧结体的结合强度，不易产生应力集中，裂纹形核和扩展的驱动力小，所以裂纹穿过晶界扩展时阻力大，扩展困难[7].

图4 1 200℃烧结温度下不同孔隙度样品的KIC性能

图5 不同烧结温度样品的KIC性能

较低的烧结温度会造成烧结体发育不完整，1 150 ℃烧结样品烧结体边缘不完整，很松散.这相当于作为脆性第二相的孔隙沿烧结体晶界分布较多，在受到往复作用的载荷时，裂纹在这些应力集中部位萌生，随着裂纹的萌生，由于多孔材料内部分布着大量的孔，使得载荷作用在面积很小的烧结体上，使烧结体承受很大的载荷，进而影响KIC性能.