EH47超强度特厚船板钢裂纹萌生与晶体学取向的关系*

廖书全， 芦 莎， 孟 羽， 刘朝霞

(江阴兴澄特种钢铁有限公司， 江苏 无锡 214400)

引 言

超强度特厚船板钢用于海洋平台、造船行业、海上及近海设施及装备，尤其是关键的支撑部位。船舶逐渐向大型化、轻型化方向发展，对钢板的强度、耐腐蚀性等尤其是韧性提出了更高的要求。韧性材料中最常见的损伤破坏往往是由微裂纹的形核、长大和聚合导致的。由于材料本身的各向异性，不同晶粒间由于晶体取向不同，塑性变形时滑移系的运动情况也不同，因而存在晶间的变形不均匀性，这种不均匀的塑性变形对孔洞长大和聚合的影响是不可避免的[1]。

有效晶粒尺寸、大角度晶界比例及第二相M/A 岛的形态是影响低温冲击韧性的主要因素[2]。孔洞长大和聚合直接影响金属材料的断裂过程，以往的研究大多把金属当成各向同性的材料，未考虑晶体取向、晶内及晶间的不均匀塑性变形等因素；而事实上，这些因素决定了孔洞长大和聚合的过程。因此，有必要从微观的角度来研究晶体取向以及晶粒尺度上的不均匀塑性变形等对金属材料断裂行为的影响。

热机械控制加工(TMCP)可能会导致屈服强度和韧性的各向异性，这取决于化学成分、微观结构、晶体结构和夹杂物[3-6]。晶体结构对贝氏体钢韧性各向异性，可以通过增加平行于夏比冲击试样的断裂面的{001}劈裂面的百分比和可用的滑移系统用于韧性断裂来促进各向异性。API X100管线钢冲击韧性各向异性的原因，Charpy冲击韧性在相对于轧制方向的45°处是最差的，因为具有平行于Charpy试样断裂表面的{001}解理面的晶粒在该取向上更多，说明晶体学取向对韧性有重要的影响[6]。多晶体塑性变形的一个主要特征是变形的各向异性和非均匀性。当塑性变形较大时晶体取向择优分布，多晶体呈现出宏观各向异性。而各个晶粒形状、位向和尺寸上的差距同时也造成了多晶体塑性变形的非均匀性。裂纹的产生可能是由于随着累积变形量增加，内应力激增，在难变形的硬取向晶粒区或第二相处产生应力集中，萌生裂纹[7]。发现4个裂纹萌生起点[8]，在持续滑移带显示了引发的裂纹裂纹方向分布。由于晶体塑性理论可以考虑材料的各向异性和微观结构，如晶体位错滑移、晶界以及晶粒之间的相互作用的情况，很多学者用晶体塑性理论研究了孔洞的生长和聚合[9-10]。

1 实验过程

试验材料取自工业生产的TMCP 态的87 mm厚EH47船用特厚钢板，其化学成分如表1所示。

表1 EH47船板钢化学成分/%

试样的制备：对钢板纵向板厚1/4位置线切割得到如图1所示试样，并在原位拉伸样品的工作区两侧分别切出0.5 mm的缺口，经粗磨、细磨、机械抛光，硅溶胶去应力抛光，采用4%硝酸酒精溶液腐蚀。

图1 原位拉伸试样

试验过程：采集抛光并腐蚀过的原位拉伸试样线切割缺口EBSD数据。将试样固定至原位加载台并将相关设备参数校准之后，将原位加载台放入扫描电镜样品室中，在扫描电镜准备就绪之后，通过电脑软件控制加载台中电机的转动使试样发生形变，同时记录试样的载荷-伸长曲线。每当载荷增加一定值时，停止电机转动，用扫描电镜拍摄该形变量下的同一位置的微观结构变化，直至试样断裂失效。对采集到的EBSD数据采用EDAX OIM Analysis 5.3软件进行处理。原位拉伸实验SEM原位观察技术使得材料在应力状态下的微观结构变化得到细致观察，为研究材料动态破坏过程、分析失效机理提供了依据。

2 实验结果

2.1 微观组织演变和原位拉伸曲线

原位拉伸过程中内部的晶粒变形情况：载荷逐步增加到1600 N，试样表面形貌基本无变化，铁素体晶粒形状变化很小。载荷为1750 N时，在铁素体内部出现少量滑移线，晶粒被略微拉长，这说明铁素体发生了一定塑性变形，即发生屈服。图中高亮位置为试样表面突起的区域，表面浮凸说明不同晶粒沿不同方向变形量不同，组织演变如图2所示，短的线段表示加载台电机停止转动并拍下该状态下的微观结构。

力加载到1160 N，继续加载时载荷反而下降，即使电机停止转动，载荷继续下降，直至原位拉伸样品工作区发生断裂如图3所示；断裂的截面微观形貌由细小致密的韧窝组成，如图4所示。

2.2 裂纹萌生位置选择性

微裂纹发生过程如图5所示。晶粒中滑移系统被激活，裂纹沿滑移线和晶界聚合。当在表面上观察到相关的滑动标记时，滑移系统应该被激活。

图2 原位拉伸试样的载荷-伸长曲线

图3 原位拉伸试样断裂图

图4 原位拉伸试样断口

图6为缺口位置所采集的EBSD数据的反极图。不同的颜色表示不同的取向。

结合裂纹萌生位置的SEM和EBSD数据， 发现裂纹选择在(112)〈-1-11〉和(111)〈11-2〉取向处萌生，主裂纹的位置在(111)〈11-2〉，避开了〈110〉取向的晶粒。

图6 原位拉伸试样缺口处EBSD的反极图

如图7所示，在样品中的EBSD数据采集区域，大部分晶粒Schmid因子在0.426-0.5之间，而裂纹萌生位置处晶粒Schmid因子在0.352-0.389及0.389-0.426范围内，Schmid因子较大的晶粒滑移系统率先被激活发生位错运动。大多数情况下率先激活的滑移系统通常具有最高的Schmid因子，只有在极少数情况下除外。值得注意的是，多晶体中的晶粒处于三轴状态，并且它们的变形也受到邻近晶粒变形的影响，这可以解释Schmid因子不是最高的滑移系统的激活。Schmid因子较小的硬取向晶粒区随着累积变形量增加，内应力激增，裂纹萌生。

图7 Schmid因子分布

3 结束语

(1)晶粒中滑移系统被激活后，裂纹沿滑移线和晶界聚合。裂纹萌生的位置具有明显的选择性，趋向〈111〉，〈112〉取向，避开了〈110〉取向的晶粒。

(2)整个所采集的样品EBSD数据中，绝大部分晶粒Schmid因子在0.4295-0.4630及0.423-0.5范围内，而裂纹萌生位置处晶粒Schmid因子在较小范围内(0.352-0.389，0.389-0.426)较大的晶粒滑移系统率先被激活发生位错运动。Schmid因子较小的硬取向晶粒区随着累积变形量增加，内应力激增，裂纹萌生。