1、超高頻強度鋼的疲勞斷裂行為J. Mater. Sci. Technol., Vol.24 No.5, 20081)國家重點實驗室的先進加工鋼材和產品,北京100081,中國2)國家工程研究中心,北京100081鋼鐵技術先進,中國3),燕山大學,秦皇島，中國(4)對金屬的中國社會,北京100711,中國 疲勞斷裂行為的超高強度鋼與不同熔化過程，研究了夾雜物尺寸不同通過用在旋轉彎曲疲勞機上多達107循環加載。觀察骨折面發射掃描電子顯微鏡(FESEM)。當它被發現時已經尺寸的夾雜物對疲勞行為未清除。對鋼在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的地表和傳統從

2、標本的s - n曲線的存在。對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的s - n曲線應力幅值和逐步進行觀測。彎曲疲勞強度的s - n曲線顯示一個不斷下降和疲勞失效的大型氧化物夾雜源于對60Si2CrVA鋼平均夾雜物的尺寸44.4米。在案件的內部骨折在周期超越約1106 65Si2MnWE和60Si2CrVA鋼、夾雜物sh-eye經常發現里面和顆粒狀明亮的方面(GBF)進行了觀察附近約夾雜。GBF尺寸的增加這個循環數的增加對失敗的長壽命的政權。結構應力強度因子的價值范圍內裂紋萌生施工現場對GBF與Nf幾乎不變，幾乎是相等的表面夾雜物和內部包

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

4、關性沒發生，有了更多的散射或甚至星體疲勞強度值。疲勞斷裂的起源的高強度鋼的表面并不總是，但經常還有一定距離尤其是forhigh-cycle疲勞,因此被稱為內部斷裂。斷裂表面經常展現一個小光滑斑裂紋起源，這是通常的一個叫做“sh-eye”。預防sh-eye肯定會提高骨折的疲勞性能的高強度鋼。高強度鋼魚眼骨折來源于內部缺陷，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,被認為是主要因素sh-eye控制的性能。因此，許多的關注已經支付雙方對最小化的大小和數目上的雜質。超高強度鋼是一種構成的具有很高的強度和鋼的韌性水平10 - 12,廣泛應用于生產特別是

5、在太空中構件在焦化循環加載。因此，需要注意了疲勞超高強度鋼的斷裂行為。在這個研究中，疲勞性能的兩種超高強度鋼(AISI 4340和Aermet 100)，又有兩個輪班替換超高強度鋼的種類(60Si2CrVA和65Si2MnWE)測定,通過使用一個旋轉兩點彎曲疲勞機在高多達107周期循環政權。疲勞裂紋萌生機制研究。2、 實驗四種超高強度鋼和彈簧鋼的dierent融化過程,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通過傳統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)的過程。所有的鋼卷是商業性的熱鍛造或者是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本和透射電鏡(tem)之前，抗拉強度是1835-1985兆帕的Rm回火后,維氏596-632硬度高壓是高壓。鋼微觀組織的四個情緒馬氏體和少量殘余奧氏體的保留。 在旋轉的條紋二點彎曲疲勞試驗中來觀察幾何形狀和圓棒來評價試樣疲勞強度的尺寸，如圖1所示：圖1 尺寸圖所有樣品表面在軸向方向用NAL 800號砂紙進行拋光。疲勞試驗被進行了多達107次通過使用PQ1 - 6型條紋二點彎曲疲勞試驗機設置旋轉在

7、5000轉/分在空氣中升溫進行。古雷疲勞強度是由樓梯至少六對方法，以提高旋轉冷卻器。在fatigue-fractured曲面的形態下觀察到發射的掃描電子在骨折處與能量進行了分析色散原子x射線(EDAX)識別其化學成分組成。3、結果和討論3.1 s - n曲線和疲勞強度 圖2(a)-(d)顯示s - n曲線進行的前期試驗鋼。s - n曲線的數據中AISI4340可以被解釋成兩條直線，像傳統的s - n曲線。地平線塔爾線代表疲勞強度有107個周期。然而，對于Aermet 100米和65Si2MnWE，s - n曲線開始大幅回落在循環周期數超出了大約4106和2106有明顯區別。這種第二下降的s n

8、曲線特別是在high-cycle曲線ultrahigh-cycle地區一直受到不少學者報道13-15。然而，對于60Si2CrVA,其疲勞壽命繼續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,夾雜物中有一個很重要的疲勞斷裂的作用，和高強度鋼可能存在一個臨界體積， 和夾雜物下面的疲勞斷裂起源，但從標本的夾雜物表面或內部微觀缺陷。這一直被許多研究人員所關注。用于表面疲勞斷裂和強度滿足方程(1)。假設疲勞高強度鋼的強度可以預測通過Murakami的參數模型1至13條：式中的R是應力比,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為對缺陷或夾雜物的相關t響應的位置。因此,臨界體積的球形夾雜物可以得到18:對內部的覆蓋面的C = 0.969。2-（a）2-（b）2-（C）2-(d)圖2(a)-(d)試驗鋼的s - n曲線，(a) AISI 4340, (b)Aermet 100，(c) 65Si2MnWE, (d) 60Si2CrVA對四個實驗鋼的于骨折表面夾雜物的來源和計算進行統計。對AISI 4340，夾雜物的的最大值約5.5米，這相當接近in,c曲線。因此,幾乎所有的疲勞斷口表面矩陣及其引發的疲勞強度非常靠近表面疲勞強度,也就是說,滿足Eq。(1)及其疲勞極限仍然存在。對于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的夾雜物在更低的應力幅值和在更長的生命地區。這種內部裂縫發展第二個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。對于60Si2CrVA，它有非凡的大型夾雜物；其結果是，所有的疲勞斷口除了3個被引發的夾雜物外都是在較高和較低的應力幅值并無明顯的水平的一部分可以從它的s - n曲線中得出。根據本研究的結果不同鋼鐵生產過程形狀大小的差異主要原因是四個鋼疲勞行為的不同的。我們最近的工作是關于四高強度鋼在超高周期下夾雜物的大小的殘缺狀況。由此產生的疲勞強度值有107個周期是還總結在表3。AISI 4340不僅

11、有最高的疲勞強度還有疲勞強度盡管具有最低的抗拉強度。60Si2CrVA既具有最低的疲勞強度也有疲勞強度比雖然具有較高的抗拉強度。對四個超高強度鋼的疲勞強度進行了調查，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 在疲勞試驗之后，用探討骨折FESEM起始地點來對斷裂表面上的所有失敗的標本進行仔細檢查。在圖2所示,因為60Si2CrVA斷裂起源，大多數都是內部或表面夾雜物在更高和更低的應力幅值；而在AISI 4340，所有的骨折標本來源除1例外其它是表面。對Aermet 100米和65Si2MnWE起源，幾乎是內部包裹體斷裂在更低的應力幅值；其他

12、的也幾乎是表面上有更高的應力幅值。這意味著，對夾雜物AISI 4340疲勞裂紋萌生并不是由計算機控制的包裹體起著控制作用相對于在其他的三鋼。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Al2O3(AlMgCa, Al2O3 MgOCaO), 對65Si2MnWE S和氧化鋁夾雜物來說是不同的。唯一的夾雜物在骨折起源是相當少的Al2O3在AISI 4340中。對60Si2CrVA和65Si2MnWE,經常在粗糙的鄰近地區有針眼狀的夾雜物在約1106周期以外(Figs.35(a)。這個粗糙的地區被命名為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為GBF。然而,確實存在，Aermet GBF 100周期可達1107(圖5(b)。GBF大小的增加隨疲勞壽命增加而增加。然而，沒有任何關聯的夾雜物尺寸和疲勞壽命顯示在圖6。圖（3）圖（4）圖（5）圖（6）實驗數據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導致內部缺陷,如夾雜物的鋼鐵生產過程中,而Sakai表明它是通過啟蒙和聚引起的孔隙導致應力集中和夾雜物的不規則形狀。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程生成的。對65Si2MnWE和 60Si2CrVA兩個彈簧鋼的碳含量相

14、對比較高,因此GBF可能有著密切的關系,而與硬質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象疲勞斷裂機制的理解上,特別是對超長生命機制的系統和深入的工作還需要做。3.3 應力強度和疲勞壽命在裂紋萌生考慮鋼處應力強度因子，Murakami用公式25進行計算:這里d是夾雜物的缺陷深度，d0是最低限度表面的半徑，a是設計應用，C是0.50應力幅值在內部裂紋處和0.65在表面裂紋處，平方根的內部是表面裂紋或者是GBF的數據。圖7顯示了包裹體和GBF循環數和Kini之間失敗關系的測試除AISI4340鋼外。對65Si2MnWE和60Si2CrVA內部中夾雜物,K

15、ini高周期循環(Nf 1106cyc)呈現下降趨勢隨著疲勞壽命的增加。 然而, GBF中 Kini 有幾乎是常數和Nf的趨勢,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對于65Si2MnWE和60S2CrVA非常接近平均Kini表面的夾雜物和內部包含在低于1106周期,后面是4.2 MPam1/2和4.7 MPam1/2。它被認為是相關的門檻在GBF Kth應力強度因子范圍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。為了探討這一現象尤其是在ultrahigh-cycle機制需要做進一步的工作。圖（7） 實驗數據4、 結論 (1)對超高強度鋼的四個不同冶金質量時,發現夾雜物的尺寸在疲勞行為上未消除。對于它所具有的最小AISI 4340夾雜物的尺寸,幾乎所有的疲勞裂紋引發來自表面和傳統的s - n曲線的存在。對于65Si2MnWE和Aermet100有沒有中夾雜物的尺寸,由疲勞裂紋引發的夾雜物在更低的應力幅值和逐步s - n曲線進行了觀察。s - n曲線顯示一個不斷下降和疲勞失效的大型氧化物夾雜源于對60Si2CrVA,它擁有世界上最大的夾雜物的尺寸。(2)在內部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。經常發現里面夾雜物顆粒sh-eye和明亮的方面(GBF)進行了觀察。GBF的尺寸增加隨著Nf壽命的增加。Aermet 100的這2個方面沒有觀察到。(3)為65Si2MnWE的價值觀和60Si2CrVA GBF Kini是幾乎恒定的,是與Nf幾乎相等的表面夾雜物和內部包含在低于1106周期。(3)對65Si2MnWE和60Si2CrVA，GBF的Kini的實驗結果是幾乎恒定的,與Nf幾乎相等的表面夾雜物和內部包含在低于1106周期。感謝這項工作是國家重點支持的基礎研究和中國資助的發展項目 No. 2

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