-
超高频强度钢的疲劳断裂行为
J. Mater. Sci. Technol., Vol.24 No.5,
2008
1)
国家重点实验室的先进加工钢材和产品
,
北京
100081,
中国
2)
国家工程研究中心
,
北京
100081
钢
铁技术先进
,
中国
< br>3),
燕山大学
,
秦皇岛，中国
(4)
对金属的中国社会
,
北京
100711,
中
国
疲劳断裂行为的超高强
度钢与不同熔化过程，
研究了夹杂物尺寸不同通过用
在旋转弯曲
疲劳机上多达
107
循环加载。
观察骨
折面发射扫描电子显微镜
(FESEM)
。
当它被发现时已经尺寸的夹杂物对疲劳行为未清除。对钢在
AISI 4340
夹杂物尺
寸小于
5.5
微米，所有的疲劳裂纹除的确做到了包含但不引发的地表和传统从标
本的
s - n
曲线的存在。对
65Si2MnWE<
/p>
在
100
和
Ae
rmet
钢平均
12.2
和
14.9
米，疲劳
裂纹在较低的夹杂物引发的
s - n
曲线应力幅值和逐步进行观测。
弯曲疲劳
强度的
s - n
曲线显示一个不断下降和疲劳失效的大型氧化物夹杂源于对
60Si2Cr
VA
钢平均夹杂物的尺寸
44.4
米。
在案件的内部骨折在周期超越约
1
×
1
06
65Si2MnWE
和
60Si
2CrVA
钢、夹杂物
sh-
eye
经常发现里面
和颗粒状明亮的
方面
(GBF)
进行了观察附近约夹杂。
GBF
尺寸的增加这个循环数的增加对失败的长寿命
的政权。
结构应力强度因子的价值范围内裂纹萌生施工现场对
GBF
与
Nf
几乎不变，
几乎是相等的表面夹杂物和内部包含在周期低于约
1
×
106
。既不
sh-eye
< br>GBF
。也
没有观察到
100
Aermet
钢在目前的研究中。
关键词
:High-
cycle
超高强度钢疲劳，夹杂物
s -
n
曲线，
鱼眼骨折
1
、
介绍
High-cycle
疲劳
(HCF)
失败是普通的实用的建筑工程项目的土石方作业。因
此，广泛的
研究已进行多年了令人满意的理解和解决方案尚未达成。众所周知，
有一个很好的旋转弯
曲疲劳强度之间的关系，
如光滑的标本和抗拉强度、维氏
硬度、高压、或低或中等强度。
对于低或中等强度钢如下
σ
w
≈
0.5Rm
σ
w
≈
1.6HV
（
1
）
在这种情况下，
从疲劳裂纹倾向于表面，
因此被称为表面的结构。
然而
,
在较高
的拉伸强度范围或维氏硬度、
线性相关
性没发生，
有了更多的散射或甚至星体疲
劳强度值。
疲劳断裂的起源的高强度钢的表面并不总是，但经常还有一定距离
尤其是
forhigh-cycle
疲劳
,
因此被称为内部断裂。
断裂表面经常展现
一个小光滑
斑裂纹起源，
这是通常的一个叫做“
sh-eye
”。
预防
sh-
eye
肯定会提高骨折的疲
劳性能的高强度钢。高强度钢鱼眼骨
折来源于内部缺陷，一般多夹杂物
[1 - 4
、
7
、
8]
，但是在某些情况
下是微观缺陷
[4
、
5]
。特别是夹杂物缺陷尺寸和性能
,
被认为是主要因素
sh-eye
控制的性能。
因此，
许多的关注已经支付双方对最小化
的大小和数目上的杂质。
超高强度钢是一种构成的具有很高的强度和钢的韧性水平
[10
-
12],
广泛应
< br>用于生产特别是在太空中构件在焦化循环加载。
因此，
需
要注意了疲劳超高强度
钢的断裂行为。在这个研究中，疲劳性能的两种超高强度钢
(AISI
4340
和
Aermet
100)
，又有两个轮班替换超高强度钢的种类
(
60Si2CrVA
和
65Si2MnWE)
< br>测定
,
通过
使用一个旋转两点弯
曲疲劳机在高多达
107
周期循环政权。疲劳裂纹萌生机制研<
/p>
究。
2
、
实验
四种
超高强度钢和弹簧钢的
dierent
融化过程
,
因此
dierent
夹杂物
特性选取
研究。四钢、
Aermet
100
是双重的真空熔化
(
真空
+
VAR)
，
AISI
4340
是真空感应
融化跟随由电渣熔化
(ESR),65Si2MnWE +
真空电弧炉溶化然后是电渣重熔型
(
融
化电弧炉
+
ESR)
，和
60Si2CrVA
通过
传统的电弧炉炉熔化加上钢包炉精炼和真空
脱气
(
电弧炉
+
铅锌矿床
+ VD
)
的过程。所有的钢卷是商业性的热锻造或者是
18
毫
米的滚卷。
钢退火柔软，
然后加工成形状接近纳洛酮形状的标本和透射电镜
(tem)
之前，抗拉强度是
1835-1985
兆帕的
< br>Rm
回火后
,
维氏
596-632
硬度高压是高压。钢
微观组织的四个
情绪马氏体和少量残余奥氏体的保留。
在旋转的条纹二点弯曲疲劳
试验中来观察几何形状和圆棒来评价试样疲劳
强度的尺寸，如图
1
所示：
图
1
尺寸图
所有样品表面在轴向方向用
NAL 800
号砂纸进行抛光。疲劳试验被进行了多达
107
次通过使用
PQ1 - 6
型条纹二点弯曲疲劳试验机设置旋转在
5000
转
/
分在空<
/p>
气中升温进行。古雷疲劳强度是由楼梯至少六对方法，以提高旋转冷却器。
在
fatigue-fractured
曲面的形态下观察到发射的扫描电子在骨折处与能量
进行了分析色散原子
x
射线
(EDAX)
识别其
化学成分组成。
3
、结果和讨论
3.1 s -
n
曲线和疲劳强度
图
2(a)-(d)
显示
s -
n
曲线进行的前期试验钢。
s - n
曲线的数据中
AISI4340
可以被解释成两条直线，像传统
的
s - n
曲线。地平线—塔尔线代表疲劳强度有
107
个周期。然而，对于
Aermet 100
米和
65Si2MnWE
，
s - n
曲线开始大幅回落在
循环周期数超出了
大约
4
×
106
和
2
×
1
06
有明显区别。这种第二下降的
s
–
n
曲线特别是在
high-
cycle
曲线
ultrahigh-cycle
地区一直受到不少学者报道
[13-15]
。然而，
对于
60Si2CrVA,
其疲劳寿命继续下降和不存在明显的
横向线存
在
,
就像
SUP12
和
SWOSC-V
钢的
[16]
。
如上所述
,
夹杂物中有一个很重要的疲劳断裂的作用，
和高强度钢可能存在一
< br>个临界体积，
和夹杂物下面的疲劳断裂起源，但从标本
的夹杂物表面或内部微
观缺陷。
这一直被许多研究人员所关注。
用于表面疲劳断裂和强度满足方程
(1)
。
假设疲劳高强度钢的强度可以预测通过
Murakami<
/p>
的参数模型
[1
至
13
条
]
：
式中的
R
是
应力比
,
这里
R=-1
；
α
=0.226+HV×104 ；
area
：小缺陷或包裹体的投
影面积的平方根，单位
为微米；
C
为对缺陷或夹杂物的相关
t
响应的位置。因此
,
临界体积的球形夹
杂物可以得到
[18]:
对内部的覆盖面的
C =
0.969
。
2-
< br>（
a
）
2-
（
b
）
2-
（
C
）
2-(d)
图
2(a)-(d)
试验钢的
s -
n
曲线，
(a) AISI 4340, (b)Aermet
100
，
(c) 65Si2MnWE, (d)
60Si2CrVA
对四个实验钢的于骨折表面夹杂物的来
源和计算进行统计。对
AISI 4340
，夹杂
物的的最大值约
5.5
米，
这相当接近
φ
in,c
曲线。
因此
,
几乎所有的疲劳断口表面
矩阵及其引发的疲劳强度非常靠近表面疲劳强度
,
也就
是说
,
满足
Eq
。
(1)
及其疲
劳极限仍然存在。对
于
Aermet 100
和
65Si
2MnWE
夹杂物的尺寸比
φ
in,c
的大
100
米。因此
< br>,
大部分的疲劳断口引发的夹杂物在更低的应力幅值和在更长的生命地
区。这种内部裂缝发展第二个倾斜造成典型部分他们的疲劳
s - n
曲线及多元逐
步限制消除。对于
60Si2
CrVA
，它有非凡的大型夹杂物；其结果是，所有的疲劳
断口
除了
3
个被引发的夹杂物外都是在较高和较低的应力幅值并无明
显的水平的
一部分可以从它的
s -
n
曲线中得出。
< br>根据本研究的结果不同钢铁生产过程形状大小的差异主要原因是四个钢疲
劳行为的
不同的。
我们最近的工作是关于四高强度钢在超高周期下夹杂物的大小
< br>的残缺状况。
由此产生的疲
劳强度值有
107
个周期是还总结在表
3
。
AISI 4340
不仅有最高<
/p>
的疲劳强度还有疲劳强度尽管具有最低的抗拉强度。
60Si2C
rVA
既具有最低的疲
劳强度也有疲劳强度比虽然具有较高的抗
拉强度。
对四个超高强度钢的疲劳强度
进行了调查，只有
AISI4340
符合。尽管
Aermet
100
具有较良好的展延性和韧性。
3.2
疲劳断裂表面
在疲劳试验之后，用探
讨骨折
FESEM
起始地点来对断裂表面上的所有失败
的标本进行仔细检查。在图
2
所示
,
因为
60Si2CrVA
断裂起源，大多数都是内部或
表面夹杂物在更高和更低的应力幅值；而在
AISI
4340
，所有的骨折标本来源除
1
例外其它是表面。对
Aermet 100<
/p>
米和
65Si2MnWE
起源，几乎是内
部包裹体断裂在
更低的应力幅值；
其他的也几乎是表面上有更高
的应力幅值。
这意味着，
对夹杂
物
AISI 4340
疲劳裂纹萌生并不是由计算机控制的包裹体起着
控制作用相对于在
其他的三钢。
<
/p>
在表
4
中，疲劳裂纹的投影面积包含有大
小的平方根。裂缝的起源以及夹杂
物相对
Al2O3(Al>M
g>Ca, Al2O3 MgOCaO),
对
65Si2MnWE S
和氧化铝夹
杂物来说
是不同的。唯一的夹杂物在骨折起源是相当少的
Al2
O3
在
AISI
4340
中。
对
60Si2CrVA
和
65Si
2MnWE,
经常在粗糙的邻近地区有针眼状的夹杂物在约
1<
/p>
×
106
周期以外
(Figs.3
–
5(a))
。这个
粗糙的地区被命名为
ODA
被
Mura
kami
，被
Shiozawa
命名为
GBF
，被
Tanaka
命名为
FCT
。本文所建立的是被称为
GBF
。然而
,
确实存在，
Aermet GBF 100
周期可达
1
×
107(
图
5(b))
。
GBF
大小的增加随
疲劳寿
命增加而增加。然而，没有任何关联的夹杂物尺寸和疲劳寿命显示在图
6
。
图（
3
）