浅谈固溶碳对提高铁素体钢以及奥氏体钢疲劳特性的作用
钢铁材料的主要构成相不仅有铁素体，奥氏体也是重要的构成相。但是对室温奥氏体的疲劳问题，过去没有考虑应变时效的影响。原因是，碳在奥氏体中的扩散速度显著小于在铁素体中的扩散速度。但实际上并非如此。近年来有研究报告报道了利用间隙原子（i）-置换原子（s）的相互作用，在奥氏体钢中也出现了应变时效硬化现象。具体而言，Fe-Mn-C基的奥氏体钢，由于Mn和C的相互引力作用，产生应变时效硬化效应。这种Fe-Mn-C基奥氏体钢是因TWIP（孪晶诱发塑性）效应而具有高延性、高强度的钢。该钢种的疲劳极限比不含碳的TWIP钢的疲劳极限高。不含碳的TWIP钢没有应变时效硬化现象，疲劳裂纹扩展不能停止，而Fe-Mn-C基奥氏体TWIP钢在疲劳极限时，疲劳裂纹扩展停止。图3是Fe-Mn-C基的TWIP钢与无应变时效的奥氏体钢的疲劳寿命的比较。Fe-Mn-C基TWIP钢的疲劳极限时的疲劳寿命长。原因是，在低应力条件下，由于应变时效硬化的作用，Fe-Mn-C基奥氏体TWIP钢中微小疲劳裂纹的扩展速度较小。这就是说，通过产生应变时效硬化的合金设计，可以提高奥氏体钢的疲劳极限和接近疲劳极限时的疲劳寿命。过去，没有进行通过产生应变时效硬化的合金设计，提高奥氏体钢疲劳极限的尝试，现在可以通过添加合金元素，使钢产生应变时效硬化来提高钢的疲劳特性。
关于固溶碳对提高钢疲劳特性的作用，结构材料有一定的使用寿命，在实际使用环境下的金属结构材料的损坏原因多是疲劳。疲劳断裂发生在屈服强度以下。金属结构材料即使在没有发生宏观塑性变形的状态下，在各种应力反复作用下，金属中的位错组织不断发生变化。其结果是，薄弱的位错组织发生裂纹、裂纹扩展、直材料断裂。发生疲劳断裂时的负荷循环次数叫做疲劳寿命。发生疲劳断裂的极限应力叫做疲劳极限。一般，将在一定应力振幅作用下，对材料试样反复施加107次疲劳负荷，试样未断裂的应力振幅规定为疲劳极限。对于钢铁材料，疲劳裂纹扩展时间大于疲劳裂纹萌生时间。因此，在研究钢铁材料的疲劳寿命时，疲劳裂纹的扩展行为是重要的因素。此外，疲劳裂纹的扩展行为也是疲劳极限的支配因子。
关于过饱和碳与微小疲劳裂纹扩展停止极限，本研究测定了晶内微小裂纹扩展停止极限的应力扩大系数。值得注意的是，0.002%C的IF钢疲劳裂纹扩展停止极限有显著提高。这就是说，与传统钢相比，如果使铁素体含有少量的过饱和固溶碳，由于应变时效引起疲劳裂纹前端的动态硬度变化，可显著提高微小疲劳裂纹扩展停止极限。换言之，水淬使铁素体中的固溶碳量增加，对于提高钢的疲劳特性具有重要作用。
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