1、超高頻強(qiáng)度鋼的疲勞斷裂行為J. Mater. Sci. Technol., Vol.24 No.5, 20081)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)加工鋼材和產(chǎn)品,北京100081,中國(guó)2)國(guó)家工程研究中心,北京100081鋼鐵技術(shù)先進(jìn),中國(guó)3),燕山大學(xué),秦皇島，中國(guó)(4)對(duì)金屬的中國(guó)社會(huì),北京100711,中國(guó) 疲勞斷裂行為的超高強(qiáng)度鋼與不同熔化過(guò)程，研究了夾雜物尺寸不同通過(guò)用在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞機(jī)上多達(dá)107循環(huán)加載。觀察骨折面發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)。當(dāng)它被發(fā)現(xiàn)時(shí)已經(jīng)尺寸的夾雜物對(duì)疲勞行為未清除。對(duì)鋼在AISI 4340夾雜物尺寸小于5.5微米，所有的疲勞裂紋除的確做到了包含但不引發(fā)的地表和傳統(tǒng)從

2、標(biāo)本的s - n曲線的存在。對(duì)65Si2MnWE在100和Aermet鋼平均12.2和14.9米，疲勞裂紋在較低的夾雜物引發(fā)的s - n曲線應(yīng)力幅值和逐步進(jìn)行觀測(cè)。彎曲疲勞強(qiáng)度的s - n曲線顯示一個(gè)不斷下降和疲勞失效的大型氧化物夾雜源于對(duì)60Si2CrVA鋼平均夾雜物的尺寸44.4米。在案件的內(nèi)部骨折在周期超越約1106 65Si2MnWE和60Si2CrVA鋼、夾雜物sh-eye經(jīng)常發(fā)現(xiàn)里面和顆粒狀明亮的方面(GBF)進(jìn)行了觀察附近約夾雜。GBF尺寸的增加這個(gè)循環(huán)數(shù)的增加對(duì)失敗的長(zhǎng)壽命的政權(quán)。結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度因子的價(jià)值范圍內(nèi)裂紋萌生施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)GBF與Nf幾乎不變，幾乎是相等的表面夾雜物和內(nèi)部包

3、含在周期低于約1106。既不sh-eye GBF。也沒(méi)有觀察到100 Aermet鋼在目前的研究中。關(guān)鍵詞:High-cycle超高強(qiáng)度鋼疲勞，夾雜物s - n曲線， 魚(yú)眼骨折1、 介紹High-cycle疲勞(HCF)失敗是普通的實(shí)用的建筑工程項(xiàng)目的土石方作業(yè)。因此，廣泛的研究已進(jìn)行多年了令人滿(mǎn)意的理解和解決方案尚未達(dá)成。眾所周知，有一個(gè)很好的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度之間的關(guān)系， 如光滑的標(biāo)本和抗拉強(qiáng)度、維氏硬度、高壓、或低或中等強(qiáng)度。 對(duì)于低或中等強(qiáng)度鋼如下w 0.5Rm w 1.6HV （1）在這種情況下，從疲勞裂紋傾向于表面， 因此被稱(chēng)為表面的結(jié)構(gòu)。然而,在較高的拉伸強(qiáng)度范圍或維氏硬度、線性相

4、關(guān)性沒(méi)發(fā)生，有了更多的散射或甚至星體疲勞強(qiáng)度值。疲勞斷裂的起源的高強(qiáng)度鋼的表面并不總是，但經(jīng)常還有一定距離尤其是forhigh-cycle疲勞,因此被稱(chēng)為內(nèi)部斷裂。斷裂表面經(jīng)常展現(xiàn)一個(gè)小光滑斑裂紋起源，這是通常的一個(gè)叫做“sh-eye”。預(yù)防sh-eye肯定會(huì)提高骨折的疲勞性能的高強(qiáng)度鋼。高強(qiáng)度鋼魚(yú)眼骨折來(lái)源于內(nèi)部缺陷，一般多夾雜物1 - 4、7、8，但是在某些情況下是微觀缺陷4、5。特別是夾雜物缺陷尺寸和性能,被認(rèn)為是主要因素sh-eye控制的性能。因此，許多的關(guān)注已經(jīng)支付雙方對(duì)最小化的大小和數(shù)目上的雜質(zhì)。超高強(qiáng)度鋼是一種構(gòu)成的具有很高的強(qiáng)度和鋼的韌性水平10 - 12,廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)特別是

5、在太空中構(gòu)件在焦化循環(huán)加載。因此，需要注意了疲勞超高強(qiáng)度鋼的斷裂行為。在這個(gè)研究中，疲勞性能的兩種超高強(qiáng)度鋼(AISI 4340和Aermet 100)，又有兩個(gè)輪班替換超高強(qiáng)度鋼的種類(lèi)(60Si2CrVA和65Si2MnWE)測(cè)定,通過(guò)使用一個(gè)旋轉(zhuǎn)兩點(diǎn)彎曲疲勞機(jī)在高多達(dá)107周期循環(huán)政權(quán)。疲勞裂紋萌生機(jī)制研究。2、 實(shí)驗(yàn)四種超高強(qiáng)度鋼和彈簧鋼的dierent融化過(guò)程,因此dierent夾雜物特性選取研究。四鋼、Aermet 100是雙重的真空熔化(真空+ VAR)，AISI 4340是真空感應(yīng)融化跟隨由電渣熔化(ESR),65Si2MnWE +真空電弧爐溶化然后是電渣重熔型(融化電弧爐+ E

6、SR)，和60Si2CrVA通過(guò)傳統(tǒng)的電弧爐爐熔化加上鋼包爐精煉和真空脫氣(電弧爐+鉛鋅礦床+ VD)的過(guò)程。所有的鋼卷是商業(yè)性的熱鍛造或者是18毫米的滾卷。鋼退火柔軟，然后加工成形狀接近納洛酮形狀的標(biāo)本和透射電鏡(tem)之前，抗拉強(qiáng)度是1835-1985兆帕的Rm回火后,維氏596-632硬度高壓是高壓。鋼微觀組織的四個(gè)情緒馬氏體和少量殘余奧氏體的保留。 在旋轉(zhuǎn)的條紋二點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)中來(lái)觀察幾何形狀和圓棒來(lái)評(píng)價(jià)試樣疲勞強(qiáng)度的尺寸，如圖1所示：圖1 尺寸圖所有樣品表面在軸向方向用NAL 800號(hào)砂紙進(jìn)行拋光。疲勞試驗(yàn)被進(jìn)行了多達(dá)107次通過(guò)使用PQ1 - 6型條紋二點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)設(shè)置旋轉(zhuǎn)在

7、5000轉(zhuǎn)/分在空氣中升溫進(jìn)行。古雷疲勞強(qiáng)度是由樓梯至少六對(duì)方法，以提高旋轉(zhuǎn)冷卻器。在fatigue-fractured曲面的形態(tài)下觀察到發(fā)射的掃描電子在骨折處與能量進(jìn)行了分析色散原子x射線(EDAX)識(shí)別其化學(xué)成分組成。3、結(jié)果和討論3.1 s - n曲線和疲勞強(qiáng)度 圖2(a)-(d)顯示s - n曲線進(jìn)行的前期試驗(yàn)鋼。s - n曲線的數(shù)據(jù)中AISI4340可以被解釋成兩條直線，像傳統(tǒng)的s - n曲線。地平線塔爾線代表疲勞強(qiáng)度有107個(gè)周期。然而，對(duì)于Aermet 100米和65Si2MnWE，s - n曲線開(kāi)始大幅回落在循環(huán)周期數(shù)超出了大約4106和2106有明顯區(qū)別。這種第二下降的s n

8、曲線特別是在high-cycle曲線ultrahigh-cycle地區(qū)一直受到不少學(xué)者報(bào)道13-15。然而，對(duì)于60Si2CrVA,其疲勞壽命繼續(xù)下降和不存在明顯的橫向線存在,就像SUP12和SWOSC-V鋼的16。 如上所述,夾雜物中有一個(gè)很重要的疲勞斷裂的作用，和高強(qiáng)度鋼可能存在一個(gè)臨界體積， 和夾雜物下面的疲勞斷裂起源，但從標(biāo)本的夾雜物表面或內(nèi)部微觀缺陷。這一直被許多研究人員所關(guān)注。用于表面疲勞斷裂和強(qiáng)度滿(mǎn)足方程(1)。假設(shè)疲勞高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度可以預(yù)測(cè)通過(guò)Murakami的參數(shù)模型1至13條：式中的R是應(yīng)力比,這里R=-1；=0.226+HV104 ；area：小缺陷或包裹體的投影面積的平

9、方根，單位為微米；C為對(duì)缺陷或夾雜物的相關(guān)t響應(yīng)的位置。因此,臨界體積的球形夾雜物可以得到18:對(duì)內(nèi)部的覆蓋面的C = 0.969。2-（a）2-（b）2-（C）2-(d)圖2(a)-(d)試驗(yàn)鋼的s - n曲線，(a) AISI 4340, (b)Aermet 100，(c) 65Si2MnWE, (d) 60Si2CrVA對(duì)四個(gè)實(shí)驗(yàn)鋼的于骨折表面夾雜物的來(lái)源和計(jì)算進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。對(duì)AISI 4340，夾雜物的的最大值約5.5米，這相當(dāng)接近in,c曲線。因此,幾乎所有的疲勞斷口表面矩陣及其引發(fā)的疲勞強(qiáng)度非常靠近表面疲勞強(qiáng)度,也就是說(shuō),滿(mǎn)足Eq。(1)及其疲勞極限仍然存在。對(duì)于Aermet 100

10、和65Si2MnWE夾雜物的尺寸比in,c的大100米。因此,大部分的疲勞斷口引發(fā)的夾雜物在更低的應(yīng)力幅值和在更長(zhǎng)的生命地區(qū)。這種內(nèi)部裂縫發(fā)展第二個(gè)傾斜造成典型部分他們的疲勞s - n曲線及多元逐步限制消除。對(duì)于60Si2CrVA，它有非凡的大型夾雜物；其結(jié)果是，所有的疲勞斷口除了3個(gè)被引發(fā)的夾雜物外都是在較高和較低的應(yīng)力幅值并無(wú)明顯的水平的一部分可以從它的s - n曲線中得出。根據(jù)本研究的結(jié)果不同鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程形狀大小的差異主要原因是四個(gè)鋼疲勞行為的不同的。我們最近的工作是關(guān)于四高強(qiáng)度鋼在超高周期下夾雜物的大小的殘缺狀況。由此產(chǎn)生的疲勞強(qiáng)度值有107個(gè)周期是還總結(jié)在表3。AISI 4340不僅

11、有最高的疲勞強(qiáng)度還有疲勞強(qiáng)度盡管具有最低的抗拉強(qiáng)度。60Si2CrVA既具有最低的疲勞強(qiáng)度也有疲勞強(qiáng)度比雖然具有較高的抗拉強(qiáng)度。對(duì)四個(gè)超高強(qiáng)度鋼的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了調(diào)查，只有AISI4340符合。盡管Aermet 100具有較良好的展延性和韌性。3.2 疲勞斷裂表面 在疲勞試驗(yàn)之后，用探討骨折FESEM起始地點(diǎn)來(lái)對(duì)斷裂表面上的所有失敗的標(biāo)本進(jìn)行仔細(xì)檢查。在圖2所示,因?yàn)?0Si2CrVA斷裂起源，大多數(shù)都是內(nèi)部或表面夾雜物在更高和更低的應(yīng)力幅值；而在AISI 4340，所有的骨折標(biāo)本來(lái)源除1例外其它是表面。對(duì)Aermet 100米和65Si2MnWE起源，幾乎是內(nèi)部包裹體斷裂在更低的應(yīng)力幅值；其他

12、的也幾乎是表面上有更高的應(yīng)力幅值。這意味著，對(duì)夾雜物AISI 4340疲勞裂紋萌生并不是由計(jì)算機(jī)控制的包裹體起著控制作用相對(duì)于在其他的三鋼。在表4中，疲勞裂紋的投影面積包含有大小的平方根。裂縫的起源以及夾雜物相對(duì)Al2O3(AlMgCa, Al2O3 MgOCaO), 對(duì)65Si2MnWE S和氧化鋁夾雜物來(lái)說(shuō)是不同的。唯一的夾雜物在骨折起源是相當(dāng)少的Al2O3在AISI 4340中。對(duì)60Si2CrVA和65Si2MnWE,經(jīng)常在粗糙的鄰近地區(qū)有針眼狀的夾雜物在約1106周期以外(Figs.35(a)。這個(gè)粗糙的地區(qū)被命名為ODA被Murakami，被Shiozawa命名為GBF，被Tana

13、ka命名為FCT。本文所建立的是被稱(chēng)為GBF。然而,確實(shí)存在，Aermet GBF 100周期可達(dá)1107(圖5(b)。GBF大小的增加隨疲勞壽命增加而增加。然而，沒(méi)有任何關(guān)聯(lián)的夾雜物尺寸和疲勞壽命顯示在圖6。圖（3）圖（4）圖（5）圖（6）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Murakami解釋了GBF的形成，表明它是GBF造成的氫脆化行為,如疲勞,加上含氫量高的原因?qū)е聝?nèi)部缺陷,如夾雜物的鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中,而Sakai表明它是通過(guò)啟蒙和聚引起的孔隙導(dǎo)致應(yīng)力集中和夾雜物的不規(guī)則形狀。此外, Lu解釋了這些毛孔形成的原因是由球形碳化物在夾雜物疲勞斷裂過(guò)程生成的。對(duì)65Si2MnWE和 60Si2CrVA兩個(gè)彈簧鋼的碳含量相

14、對(duì)比較高,因此GBF可能有著密切的關(guān)系,而與硬質(zhì)合金具有較低碳含量的Aermet 100,所以GBF不存在。然而,作為一種最重要的現(xiàn)象疲勞斷裂機(jī)制的理解上,特別是對(duì)超長(zhǎng)生命機(jī)制的系統(tǒng)和深入的工作還需要做。3.3 應(yīng)力強(qiáng)度和疲勞壽命在裂紋萌生考慮鋼處應(yīng)力強(qiáng)度因子，Murakami用公式25進(jìn)行計(jì)算:這里d是夾雜物的缺陷深度，d0是最低限度表面的半徑，a是設(shè)計(jì)應(yīng)用，C是0.50應(yīng)力幅值在內(nèi)部裂紋處和0.65在表面裂紋處，平方根的內(nèi)部是表面裂紋或者是GBF的數(shù)據(jù)。圖7顯示了包裹體和GBF循環(huán)數(shù)和Kini之間失敗關(guān)系的測(cè)試除AISI4340鋼外。對(duì)65Si2MnWE和60Si2CrVA內(nèi)部中夾雜物,K

15、ini高周期循環(huán)(Nf 1106cyc)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)隨著疲勞壽命的增加。 然而, GBF中 Kini 有幾乎是常數(shù)和Nf的趨勢(shì),它幾乎是相等的這被研究人員15、22、23找到，表面夾雜物和內(nèi)部包含在低于1106周期。GBF 的Kini平均值是4.2 MPam1/2 和 4.8 MPam1/2對(duì)于65Si2MnWE和60S2CrVA非常接近平均Kini表面的夾雜物和內(nèi)部包含在低于1106周期,后面是4.2 MPam1/2和4.7 MPam1/2。它被認(rèn)為是相關(guān)的門(mén)檻在GBF Kth應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍15,22。Aermet GBF為100,觀察到,所以Kini仍然幾乎是恒定的平均為27.2 MPa

16、m1/2。為了探討這一現(xiàn)象尤其是在ultrahigh-cycle機(jī)制需要做進(jìn)一步的工作。圖（7） 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)4、 結(jié)論 (1)對(duì)超高強(qiáng)度鋼的四個(gè)不同冶金質(zhì)量時(shí),發(fā)現(xiàn)夾雜物的尺寸在疲勞行為上未消除。對(duì)于它所具有的最小AISI 4340夾雜物的尺寸,幾乎所有的疲勞裂紋引發(fā)來(lái)自表面和傳統(tǒng)的s - n曲線的存在。對(duì)于65Si2MnWE和Aermet100有沒(méi)有中夾雜物的尺寸,由疲勞裂紋引發(fā)的夾雜物在更低的應(yīng)力幅值和逐步s - n曲線進(jìn)行了觀察。s - n曲線顯示一個(gè)不斷下降和疲勞失效的大型氧化物夾雜源于對(duì)60Si2CrVA,它擁有世界上最大的夾雜物的尺寸。(2)在內(nèi)部inclusion-induced骨

17、折的情況下在周期大約1106之外，針眼狀65Si2MnWE和60Si2CrVA斷口上觀察到的了。經(jīng)常發(fā)現(xiàn)里面夾雜物顆粒sh-eye和明亮的方面(GBF)進(jìn)行了觀察。GBF的尺寸增加隨著Nf壽命的增加。Aermet 100的這2個(gè)方面沒(méi)有觀察到。(3)為65Si2MnWE的價(jià)值觀和60Si2CrVA GBF Kini是幾乎恒定的,是與Nf幾乎相等的表面夾雜物和內(nèi)部包含在低于1106周期。(3)對(duì)65Si2MnWE和60Si2CrVA，GBF的Kini的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是幾乎恒定的,與Nf幾乎相等的表面夾雜物和內(nèi)部包含在低于1106周期。感謝這項(xiàng)工作是國(guó)家重點(diǎn)支持的基礎(chǔ)研究和中國(guó)資助的發(fā)展項(xiàng)目 No. 2

18、004C 參考文獻(xiàn)1 Y.Murakami, S.Kodama and S.Konuma: Int. J. Fa tigue, 1989, 11(5), .2 Y.Murakami, T.Toriyama, Y.Koyasu and S.Nishida: Tetsu-to-Hagane, 1993, 79(6), 678. (in Japanese) 3 Y.Bergengren, M.Larsson and A.Melander: Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct., 1995, 18(10), 1071. 4 T.Abe and K.Kanazawa:

19、 J. Soc. Mat. Sci. Jpn., 1996 45(1), 9. (in Japanese), 5 , , , and : Mater. Sci. Eng., 1998, A241, 30. 6 , , , and : Int. J. Fatigue, 2004, 26, 437 .7 , G.Yao, , , , , H.Dong and : Int. J. Fatigue, 2004, 26, 959 .8 , , , , H.Yao, , and : Mater. Sci. Eng. A, 2005, 394, 126 9 , , , and :10 Liuding WAN

20、G, Laizhu JIAG, Ming ZHU and Wang min ZHOU: J. Mater. Sci. Technol., 2005, 21(5), 710. 11 Liuding WANG, Lin LIU, Chengxi AO, Xiajun LIU, Changle CHEN and Mokuang KANG: J. Mater. Sci. Technol., 2000, 16(5), 491 .12 Liuding WANG, Chengle CHEN, Mokuang KANG: J. Mater. Sci. Technol., 1999, 15(6), 583. 1

21、3 Y.Murakami, M.Takada and T.Toriyama: Int. J. Fa tigue, 1998, 16(9), 661. 14 Q.Y.WANG, , A.Dubarre, G.Baudry, S.Rathery and C.Bathias: Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct., 1999, 22, 667. 15 Y.Ochi, T.Matsumura, K.Masaki and S.Yoshida: Fa tigue Fract. Eng. Mater. Struct., 2002, 25, 823 .16 T.Abe, Y.Furuya and S.Matsuoka: Fatigue Fract. Eng. Mater. St