（载运工具运用工程专业论文）gcr15钢内部裂纹萌生和扩展机理的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着机械设备向轻量化发展的需求，高强度钢被大量地用于机械设备和 工程结构。过去疲劳研究者一直认为，钢铁材料仅萌生表面裂纹，随着疲劳 载荷的降低，通常在1 07 周次以前，表面裂纹出现闭口想象，因此材料出现 疲劳极限。尽管很多的机械设备和工程结构在服役期间将承受1 07 甚至1 0 i o 周次以上的载荷，由于在1 07 周次以前，钢铁材料具有疲劳极限，因此，疲 劳试验和研究仅考虑到1 0 7 周次的载荷作用即可满足设计要求。可是最近十 几年的研究却发现高强度钢在承受低于疲劳极限的交变载荷作用，当加载超 过1 07 周次的超长寿命区域( g i g a - f a t i g u er e g i m e ) ，发生由材料内部夹杂物 等缺陷引起的疲劳破坏。本课题的研究目标就是揭示高强度钢内部裂纹萌生 和扩展行为。 本研究以高碳铬轴承钢g c r l 5 为研究对象，用常规旋转弯曲试验机和超 声疲劳试验机下进行的1 0 。7 1 0 1 7 周次的超长寿命疲劳试验得到的断口，进行 了g c r l 5 钢内部裂纹萌生和扩展特性的仿真分析，并综合多种分析手段进行 了内部裂纹形成机理的分析和研究，同时定量的分析了内部夹杂尺寸对疲劳 寿命的影响，具体内容如下： 使用扫描电子显微镜对试验所得的疲劳断口进行了详细观察并发现，两 种试验系统下的破坏机制均可以分为：高应力、短寿命下的表面裂纹萌生机 制和低应力、长寿命下的内部裂纹萌生机制。 用f r a s t a 法进行了内部裂纹萌生和扩展特性的仿真分析，结果表明： 在两种加载系统下得到的超长寿命区带有g b f 的断口的内部疲劳破坏的过 程是：在夹杂周围首先产生微小的不连续的裂纹，随着裂纹的成长，裂纹逐 渐贯通形成g b f 区域，然后发生连续扩展。另一方面，在短寿命区没有g b f 区的断口的内部疲劳破坏的过程是：首先从夹杂的边缘出现裂纹，然后裂纹 发生连续扩展。 对g b f 区域的详细观察和分析发现，该区域具有：大的粗糙度，区域内 凸起部分的面积大小和组织中的碳化物面积大小基本相同，区域内具有高浓 度的碳元素分布等特征，综合分析结果显示g b f 区域是材料内部夹杂物周围 的球形碳化物从组织中离散地剥离后出现的微小裂纹成长形成的。 通过使用旋转弯曲试验获得的孓曲线数据推定了内部裂纹成长率，并 基于内部裂纹成长率，定量分析了材料内部夹杂物的尺寸对超长寿命疲劳寿 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 命的影响。 对超声加载系统下得到的断口进行详细观察后发现，在从内部夹杂开裂 的断口的夹杂周围有明显的发热现象，即超声试验过程的冷却不够充分，超 声频率加载下温度升高对材料的疲劳性能有一定的影响。 【关键词】g c r l5 钢；超长寿命；f r a s t a 法；g b f ；夹杂影响 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 a b s tr a c t a l o n gw i t ht h el i g h tr e q u i r e m e n to fm a c h i n e ，al o to fh i g hs t r e n g t hs t e e l sa r e u s e di nm a c h i n ec o m p o n e n t sa n ds t r u c t u r e s i nt h ep a s tt h ef a t i g u er e s e a r c h e r s c o n s i d e r e dt h a to n l yt h es u r f a c ec r a c kc a ni n i t i a t ei nt h es t e e lm a t e r i a l sa n dt h e m a t e r i a l ss h o wt h ef a t i g u el i m i td u i n gt oc r a c kc l o s u r eb e f o r e10 6c y c l e sw i t ht h e r e d u c t i o no fs t r e s s a m p l i t u d e a l t h o u g hl o t s o fm a c h i n ec o m p o n e n t sa n d s t r u c t u r ea r ep e r f o r m e do v e r10 7 ，e v e nl0 l o a d i n gc y c l e s ，i ti sc o n s i d e r e dt h a t t h el o a d i n gs t r e s sa t10 7 c y c l e sc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fd e s i g nw h e nd o i n g t h ee x p e r i m e n ta n dr e s e a r c h h o w e v e r , i nr e c e n tt e e ny e a r si ti sf o u n dt h a tt h e h i g hs t r e n g t hs t e e lc a na l s of r a c t u r ef r o mt h ed e f e c ta si n t e r n a li n c l u s i o ni nt h e v e r yh i g hc y c l er e g i m ea b o v e10 7 l o a d i n gc y c l e sa tt h es t r e s sa m p l i t u d eb e l o w t h ec o n v e n t i o nf a t i g u el i m i t t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri sr e v e a l i n gt h es u b s u r f a c e c r a c ki n i t i a t i o na n dp r o p a g a t i o np r o p e r t yi ng c r l5s t e e l t h eo b j e c to ft h i sr e s e a r c hi sh i g h c a r b o n c h r o m i u mb e a r i n gs t e e l ，g c r l5 t h e s i m u l a t i o na n a l y s i so fs u b s u r f a c ec r a c ki n i t i a t i o na n dp r o p a g a t i o np r o p e r t yi n g c r l5s t e e lw a sc a n i e do u tb yu s i n gt h ef r a c t u r es u r f a c eo b t a i n e df r o mt h e f a t i g u et e s t sp e r f o r m e db yf o u r a x i sc a n t i l e v e r - t y p er o t a r yb e n d i n gf a t i g u e m a c h i n ea n du l t r a s o n i cf a t i g u em a c h i n e b a s e do nd i f f e r e n tk i n d so fm e t h o d s s u b s u r f a c ec r a c ki n i t i a t i o nm e c h a n i s mw a sd i s c u s s e d ，m e a n w h i l e ，t h es i z eo f i n t e r n a li n c l u s i o n si n f l u e n c eo nf a t i g u el i f ew a sq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e d t h e p a r t i c u l a rc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f r o md e t a i l e do b s e r v a t i o no ft h ef r a c t u r es u r f a c eb y s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p y , i tw a sd i s c o v e r e dt h a tt h em a t e r i a l sf r a c t u r e df r o m s u r f a c ea t h i g h s t r e s sa m p l i t u d ea n dl o wc y c l e s ，w h e r e a sf a t i g u ef a i l u r eo c c u r e da ts m a l l i n t e r n a ld e f e c t sa tl o ws t r e s sa m p l i t u d ei nah i g h c y c l er e g i o n t h es i m u l a t i o n a n a l y s i s o fs u b s u r f a c ec r a c ki n i t i a t i o na n d p r o p a g a t i o n p r o p e r t yw a sc a r r i e do u tb yt h ef r a s t am e t h o d t h er e s u l ts h o w st h a to nt h e f r a c t u r es u r f a c ew i t hg b f a r e a ，m u l t i p l ed i s p e r s i v em i c r o c r a c k sf o r m e da r o u n d t h ei n c l u s i o na n dc o a l e s c e de a c ho t h e rt of o r i l lt h eg b fa r e a a f t e rt h a t ，t h ec r a c k g r e wc o n t i n u a ll y o nt h eo t h e rh a n d ，o nt h ef r a c t u r es u r f a c ew i t h o u tg b fa r e a t h ef a t i g u ec r a c kw a si n i t i a t e da r o u n dt h ei n c l u s i o na n dt h e n p r o p a g a t e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1v 页 c o n t i n u a l l y t h ef r a c t u r es u r f a c eo b t a i n e df r o mt h et w ok i n do ff a t i g u et e s t s y s t e mh a d t h es a m er e s u l t s d e t a i lo b s e r v a t i o na n dd e t e c t i o no fg b fa r e ai n d i c a t e dt h a tt h er o u g h n e s so f t h i sa r e aw a sl a r g e ，t h ea r e ao fc o n v e xp a r t i c l e si ni tc o r r e s p o n d e dt ot h o s eo f c a r b i d ep a r t i c l e si nt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h et e s t e dm a t e r i a l sa n dt h e r ew a sr i c h c a r b o nd i s t r i b u t i o ni nt h ea r e a a c c o r d i n gt ot h e s er e s u l t si tc a nb ec o n c l u d e dt h a t t h eg b fa r e aw a sf o r m e db yt h em i c r o - c r a c k sg r o w t ho w i n gt ot h ec a r b i d e p a r t i c l e sa r o u n d t h ei n c l u s i o nd i s p e r s i v e l yd e s q u a m a t e df r o mt h em a t r i x t h es u b s u r f a c ec r a c kg r o w i n gs p e e dw a sc a l c u l a t e db a s e do nt h es nd a t a o b t a i n e df r o mt h er o t a r yb e n d i n gf a t i g u et e s t t h es i z eo fi n t e r n a li n c l u s i o n s i n f l u e n c eo nf a t i g u el i f ew a sq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e da c c o r d i n gt ot h i ss p e e d t h ed e t a i l e do b s e r v a t i o no nf r a c t u r es u r f a c ew h i c hw a so b t a i n e df r o mt h e f a t i g u et e s tp e r f o r m e db yu l t r a s o n i cf a t i g u em a c h i n es h o w st h a to nt h ei n t e r n a l i n c l u s i o ni n d u c e df r a c t u r es u r f a c et h e r ei sb u r n e da r e aa r o u n dt h ei n c l u s i o n o w i n g t ot h ed e f i c i e n t c o o l i n g t h et e m p e r a t u r ei n d u c e db yt h e u l t r a s o n i c f r e q u e n c ym a k e si n f l u e n c eo nt h ef a t i g u ep r o p e r t yo ft h em a t e r i a l s k e yw o r d s ：g c r l 5s t e e l ；v e r yh i g hc y c l e ；f r a s t am e t h o d ；g b f ；i n c l u s i o n i n f l u e n c e 西南交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权西南交通大学可以将本学术论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密影适用本授权书。 学位论文作者签名：旅施阳王 日期2 1 0 08 。石。哆 指导教师签名： 岛毳痨 日期2 o - og f3 - 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确 的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本文的创新点如下： 首次对国产高强度钢在常规旋转弯曲和超声疲劳试验系统下得到的内部破坏 模式的疲劳断口，用三维断口分析的方法进行了仿真分析，分析了内部裂纹的萌生 及扩展特性，考察了频率和发热对超长寿命疲劳内部破坏裂纹的萌生和扩展特性的 影响，同时综合多种分析手段对内部破坏的机理进行了研究。 申日月人。旅缈旺 优园毯年gr 警日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 研究意义 从1 9 世纪中期开始，金属疲劳的研究已经经历了1 5 0 多年的历史，积累 了大量的试验数据，也建立了不少理论模型【l 。5 1 ，但是这些研究工作大多集 中在低周疲劳( 1 0 wc y c l e f a t i g u e 上c f ) 和高周疲劳( h i g hc y c l e f a t i g u e ，h c f ) 阶段，即使是高周疲劳，其载荷循环周次也不超过1 07 。这主要是有两个方 面的原因造成的：第一、由于过去制造机械和工程结构基本用的都是钢铁材 料，而这些材料一直被认为具有疲劳极限并且在1 0 6 次左右的应力循环表现 出来，从保证疲劳可靠性的观点考虑，疲劳试验只要做到1 07 次的应力循环，就 可以满足机械和工程结构的安全使用。第二、非钢铁材料，如钛、铝合金不存 在疲劳极限，但要完成1 07 以上应力循环的疲劳试验需要较长的时间和较高 的费用。在没有加速疲劳试验设备的条件下疲劳试验一般只做到1 07 周次。 因此，目前的高周疲劳设计规范是以1 07 周次的疲劳实验为基准制定的。 但是，随着机械设备的高速度化、高效率化和轻量化而要求的高强度化 的发展，使得为了提高材料强度包括疲劳强度而开发的高强度钢、表面处理 钢、铸铁、钛合金和铝合金等材料被大量地用于机械和结构物。目前，铁路 车轴和轮轨、海洋结构物、桥梁、发动机零部件、机械设备的轴承等，被要 求承受1 0 9 1 0 1 0 次交变载荷而不破坏。可是最近十几年来却发现，高强度钢、 表面改性钢、合金钢、铸铁和碳钢等钢铁材料在交变载荷超过1 07 周次作用 后，即超长寿命区域( g i g a - f a t i g u e ) ，疲劳破坏仍然发生【1 6 。3 0 1 ，这使得疲劳 研究者不得不重新考虑疲劳的本质问题。开展超长寿命疲劳行为和试验方法 的研究不但直接保证机械设备和结构物使用的长期可靠性，还可以对新材料 的研发提供有益的情报。 1 1 2 超长寿命疲劳研究现状 超长寿命疲劳，或者说在传统意义的疲劳极限之下发生的疲劳断裂现象， 首先是在高强钢和表面强化钢中发现的。1 9 8 2 1 9 8 9 年，日本的n a i t o 1 6 j 、 m a s u d a 1 7 一引、a s a m i 【1 9 】等使用频率5 0 h z 的旋转弯曲疲劳试验机分别对渗碳 处理的c r m o 钢、渗碳处理的c r 钢和n i c r - m o 高强度钢进行了1 07 1 0 9 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 周次应力循环的疲劳试验研究，发现这些材料在1 07 周次以前，疲劳裂纹萌 生于表面，在lo ，周次以后，疲劳裂纹萌生于内部非金属夹杂物，并伴有鱼 眼裂纹特征。这些材料的洲曲线为阶梯下降的形状，传统的疲劳极限出现 在1 07 周次以前。n a k a m u r a 2 2 】和k u r o s h i m a 2 6 】等对几种高强度钢从表面破坏 ( 由表面裂纹引起的) 向内部破坏( 内部裂纹引起的) 的转移条件进行了研 究，研究的结果表明材料的表面状态对转移应力幅值有着一定的影响。 k u r o s h i m a 等【2 6 】还尝试推测内部裂纹的萌生时期，指出了表面与内部两种破 坏的寿命差异可能与裂纹扩展的环境有关，即表面裂纹扩展是在空气中发生， 而内部的扩展是在真空中发生。m u r a k a m i 就内部裂纹萌生处的夹杂对高强度 钢超高周疲劳行为的影响进行了定量评估【27 1 ，n i s h o i m a 等对多种高强度钢的 系列研究成果进行了总结报导【2 引。由于汽车工业发展急需，超长寿命疲劳行 为的研究受到日本更多研究者们的关注。为了揭示高强度钢在超高周疲劳寿 命区的非常规的疲劳行为，保证机器以及结构物使用的长期可靠性，日本十 几所大学的疲劳研究者使用相同形状的试样开展了三个不同强度等级的高强 度钢( 高碳铬轴承钢j i ss u j 2 、n i c r - m o 、j i ss n c m 4 3 9 ) 和高温回火的 c r - m o 、j i ss c m 4 3 5 钢的1 07 10 9 超长寿命疲劳的研究，系列的研究结果【3 1 。3 8 】 表明，s u j 2 钢和s n c m 4 3 9 钢具有表面破坏和由夹杂物引起的内部破坏( 鱼 眼型) 的两条孓曲线，对于强度相对较低s c m 4 3 5 钢的旋转弯曲疲劳试验 结果【3 引，却只出现了表面裂纹萌生机制的一条孓曲线，尽管试样大部分在 1 07 周次以前发生折断，但在略低于疲劳极限的应力幅作用下，在5 x 1 0 8 周次 以上仍有试样折断，这意味着低于门槛值的极低速的表面裂纹扩展现象的存 在。 到目前为止，对于超长寿命疲劳问题，人们在开展对洲曲线特性研究 的同时，也进行了内部疲劳破坏机理，特别是内部破坏断口裂纹源区域形成 机理的探索研究。m u r a k a m i 等【4 0 】使用金相显微镜和原子力显微镜详细地观 察了低温回火的c r o m o 钢( j i ss c m 4 3 5 ) 的g i g a f a t i g u e 破坏的断口，发现萌 生内部裂纹的夹杂物周围，存在一个粗糙形貌的区域( o d a ，o p t i c a l l yd a r k a r e a ) 。m u r a k a m i 等认为在材料的制造过程中夹杂物捕获了氢，o d a 是氢在 长期的交变应力作用下形成的氢脆破坏，它是材料内部环境因素引起的。当 裂纹成长的第一阶段完成后，氢的作用消失，断口上才出现通常的平滑疲劳 裂纹。f u r u y a 等m i j 在研究加载频率对高强度钢疲劳行为的影响时发现，加载 频率对o d a 的大小没有影响，他们认为o d a 的形成可能与氢有关，但破坏 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 机理与氢脆不同。s h i o z a w a 等【3 3 , 3 4 , 3 7 】使用电子显微镜、金相显微镜和电子探 针显微镜等观察高碳铬轴承钢和n i c r - m o 合金钢的超长寿命疲劳破坏断口 时也发现了同样的现象，由于在电子显微镜下观察的夹杂周围的粗糙区域发 亮，因此他将这个区域命名为g b f ( g r a n u l a rb r i g h tf a c e t ) 。s h i o z a w a 等【4 2 j 还发现夹杂物周围形成的粗糙区是组织中碳化物从基体剥离引起的，但碳化 物的剥离机理还不清楚。 相关研究表b 凋 4 3 , 4 4 ，g b f 区域在疲劳破坏过程中起着重要的作用，其形 成花费了整个疲劳寿命的约9 0 ，但是由于内部裂纹的萌生及扩展无法像表 面裂纹一样直接观察到，因此在探索内部裂纹的产生及扩展机理时研究者使 用了k o b a y a s h i 等【45 】提出的断口形貌分析方法，即f r a s t a ( f r a c t u r es u r f a c e t o p o g r a p h ya n a l y s i s ) 法。f r a s t a 法的仿真分析表明【4 3 4 4 j 在超长寿命区， 疲劳裂纹首先萌生于内部夹杂物，然后在夹杂物周围发生不连续的微裂纹，随 着微裂纹的成长，裂纹逐渐贯通形成g b f 区，此后发生连续扩展形成f i s h e y e 区域，最后扩展至断裂；而在短寿命区裂纹萌生于夹杂物后直接发生连续地 扩展直至破坏。 使用常规疲劳试验机去完成超长寿命疲劳的研究需要较多的时间和费 用，更不可能完成1 0 9 周次以上的疲劳试验。于是与日本的学者采用的常规 疲劳试验机为研究手段不同，在欧洲，疲劳研究者们使用超声疲劳试验系统 进行超长寿命疲劳的研究。从1 9 9 0 年开始，b a t h i a s 等开始对多种金属包括 钛合金( 环境温度效应【4 6 】、裂纹扩展行为 4 7 1 和组织影响 4 8 】【4 9 1 ) 、镍基合金( 高 温裂纹的萌生与扩展行为【5 0 】) 和各种钢铁材料【5 l 】- 【”】( 球墨铸铁、低碳钢、 弹簧钢、轴承钢、轨道钢和不锈钢等) 对寿命范围在1 0 9 l0 1 0 周次的疲劳行 为进行了系统的研究，得到的超声疲劳试验结果与日本研究者报导的常规疲 劳试验的结果几乎相同，提出了金属材料在超长寿命区域不存在传统的疲劳 极限 2 3 , 3 0 1 。超声疲劳试验机的开发，不仅为材料的超长寿命疲劳研究提供了 方便，而且也使1 0 9 周次以上的疲劳试验成为可能。但由于频率效应的影响， 以及试验过程中产生的发热的影响还很难进行定量评估，目前只能用于定性 研究，还不能完成定量研究。另外，目前疲劳研究者们使用的超声疲劳试验 机基本都是各自开发的，超声疲劳试验标准还需要统一。因此，针对工程应 用的超长寿命疲劳试验研究，只能以使用常规疲劳试验机为主，超声疲劳试 验机为辅。 我国是继日本、欧洲国家( 法国、奥地利、德国等) 和美国后，开展超长 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 寿命疲劳研究比较早的国家。但研究规模不大，特别是针对具有典型的表面 和内部两种破坏机制的高强度钢的超长寿命疲劳问题进行的研究不多【5 乱6 5 】。 对于国内的高强度钢，是否具有与国外所研究的高强度钢一样的双重孓曲 线特性，对于常规疲劳试验系统和超声疲劳试验系统得到的内部破坏现象在 裂纹的萌生、扩展特性，以及破坏机理上有什么异同，同时，对于超声疲劳 试验系统中所存在的频率、发热，以及二者共同作用下对内部破坏产生机理 的影响等方面的研究还十分的欠缺。而这些研究对于理解内部疲劳破坏产生 原因这一亟待解决的问题都是十分有意义的探索。 为了避免超声频率和试样发热带来的问题，中科院力学所的周承恩等使 用了5 2 5 h z 四连式旋转弯曲疲劳试验机研究了g c r l 5 轴承钢超长寿命疲劳行 为【5 8 】，但该研究没有对裂纹萌生行为做深入的考察，也没有与同牌号国外钢 的既有的研究结果进行比较，因此，对以g c r l5 轴承钢为代表的高强度钢性 能改进的方法尚不清楚。 最近十几年以来，我国在航空、航天和高速铁路建设领域发展迅猛，急 需解决金属材料超长寿命寿命区的抗疲劳问题，只有系统的开展金属材料的 超长寿命疲劳的研究，才能保证现代机械和大型结构长期使用的安全可靠， 也能对现有的高龄化机械和结构的剩余寿命做出安全可靠的评估。 1 2 当前超长寿命疲劳研究面临的课题 从超长寿命疲劳研究现状可以看出，在整个疲劳研究的历史中超长寿命 疲劳研究是一个很新的课题，它还有很多方面的问题还不清楚，亟待解决的 问题列举如下： 金属材料超长寿命疲劳的内部裂纹萌生及扩展机理的阐明 加速疲劳试验试验系统中频率和频率引起发热对破坏行为的影响机制 1 3 本论文的主要工作 本研究以高碳铬轴承钢g c r l5 为研究对象，用常规旋转弯曲试验机和超 声疲劳试验机下进行的l o7 10 1 0 寿命范围的超长寿命疲劳试验得到的断h ， 进行了g c r l 5 钢超长寿命区内部裂纹萌生和扩展特性的仿真分析，并综合多 种分析手段进行了内部裂纹形成机理的分析和研究，同时定量地分析了内部 夹杂尺寸对疲劳寿命的影响，并对这些疲劳特性和行为和j i ss u j 2 钢进行了 对比，同时考察了超声加载下频率和频率引起的发热的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 4 研究目的 通过对国产高碳铬轴承钢g c r l 5 超长寿命疲劳行为的试验研究，运用三 维断口解析方法对高强度钢超长寿命的内部裂纹萌生和扩展特性进行研究。 并对比两种不同的加载频率对内部裂纹的萌生和扩展特性的影响以及超声疲 劳系统中发热对裂纹萌生和扩展的影响。以此为基础，综合运用s e m 、e p m a 、 s p m 等多种分析手段对超长寿命疲劳内部破坏的机理进行探讨和研究。 1 5 论文的组成及技术路线 本论文由五章组成，第1 章是绪论，重点讲述了研究背景，超长寿命疲 劳研究现状，以及本论文的研究目的和内容；第2 章介绍了f r a s t a 仿真方 法；第3 章讲述了g c r l 5 钢旋转弯曲加载下得到断面的f r a s t a 仿真分析结 果、g b f 区域形成机理探讨及内部夹杂尺寸对疲劳寿命的影响：第4 章讲述 了g c r l 5 钢在超声轴向拉一压加载下试样断面的f r a s t a 仿真分析结果及断 面的详细观察；最后对全文进行了总结。技术路线图如图1 1 所示。 1 。6 创新点 首次对国产高强度钢在常规旋转弯曲和超声疲劳试验系统下得到的内部 破坏模式的疲劳断口，用三维断口分析的方法进行了仿真分析，分析了内部 裂纹的萌生及扩展特性，考察了频率和发热对超长寿命疲劳内部破坏裂纹的 萌生和扩展特性的影响，同时综合多种分析手段对内部破坏的机理进行了研 究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图1 1 技术路线框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章f r a s t a 解析方法 2 1 解析方法简介 在本研究中运用的断面解析方法为f r a c t u r es u r f a c et o p o g r a p h ya n a l y s i s ( f r a s t a ) ，它是1 9 9 1 年由k o b a y a s h i 等人提出的计算机仿真分析方法【4 5 1 。 该方法是把一对断面的凹凸信息读入计算机中，在计算机中将两断口无间隙 的对好，然后慢慢的拉开两断口，再现裂纹萌生和扩展的仿真方法。 裂纹扩展的时候，在裂纹的尖端要出现塑性变形，但是当断面形成之后 裂纹尖端的应力就会释放，在此之后的过程就不会再发生变形，断面的形状 就原样保持下去。也就是说在断面上记录着材料的局部所产生的塑性变形量。 因此先测定断面的三维信息，把测得的一对断面在计算机上正确的对接后， 渐渐增大两断面之间的距离，由此可以观察到断面的塑性变形量的变化，从 而可以观察到裂纹的萌生和扩展过程。 f r a s t a 法的说明图如图2 1 所示。在f r a s t a 法中如图( a ) 所示的两断 面完全重合的状态做为试样裂纹产生之前的状态，断面之间的距离定义为o 。 从( a ) 的状态开始，增加断面间的距离使两个断面慢慢分离，如图( b ) 所示那 样，图中白色表示断裂的部分和黑色表示未断裂的部分。这样从( a ) 状态向( b ) 状态变化的过程可以看到黑色和白色部分的变化，也就是说由于两断面间距 离的增加，可以观察到断裂和没有断裂部分的变化，这样整个破坏的过程就 可以被观察到。 根据f r a s t a 法，增加两断面之间的距离时可以从两个方向进行观察， 从试样轴向观察得到的断面透视图f a p p ( f r a c t u r e a r e a p r o j e c t i o n p l o t ) 和从与 试样轴向垂直方向观察得到的横断面的投影图x s p ( c r o s s s e c t i o n a l p l o t ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( a ) f a pp l _ 一x s p ( f r a c t u r e a r e a - p r o j e c t i o n p l o t ) c r o s s s e c t i o n a l - p l o t ) ( b ) 图2 1f r a s t a 法示意图 圆凹 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2f r a s t a 法图像原理 2 2 1 断面图像的获得原理 本试验中用在常规旋转弯曲疲劳试验和超声疲劳试验中得到的成对断面 进行三维形状的测定和解析。断面三维形状信息的测定是由电子显微镜 ( s e m ) 中所附带的4 分割型反射电子检出器检测反射电子而获得的，然后 用日立产的三维分析系统r d 5 0 0 对断面粗糙度进行测定和图像的获得，装 置组成如图2 2 所示。 4 分割型反射电子检出器检出的反射电子信号经放大器的增幅放大，再 经过a d 变换器变换成数字信号后储存在闪存里面。s e m 的电子束的操作和 信号的取得，是由c p u 控制d b c ( d i g i t a lb e a mc o n t r 0 1 ) 来实现 反射电子的检出如图2 3 ( a ) 所示，使用4 个检出器，然后对检测到的 反射信号在x ，y 方向上用图2 3 ( b ) 所示的二元积分对式2 1 和2 2 所示 的z ( p 1 ) 和z ( p 2 ) 进行积分。 z ( p i ) = z ( e o ) + f 。( c d ，) 崛+ d ，) d y z ( 最) = z ( 互) + 。( 4 一剐似。+ e ) d y a 。：a 检测出的反射鼋子信号 b 。：b 检测出的反射鼋子信号 c 。：c 检测出的反射鼋子信号 d 。：d 检测出的反射鼋子信号 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 d a t ab a s ep r i n t c o l o r o c r t 图2 - 2s e m 及三维分析系统 订 1 一 木d i g i t a lb e a mc o n t r o l 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 电子柬 z y 物镜 反射电子检出器 p o ( x o ，y o ) z ( p o ) ：原点( x o y o ) 的高度 图2 34 分割型反射电子检出器示意图 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 2 2 反射电子检测器的修正 ( a ) 检测器敏感度的修正 用来获取三维形状信息的4 个反射电子检测器的敏感度存在不同的误 差。并且扫描电子显微镜( s e m ) 的电子束振幅在不同的图像分析倍率下对 于反射电子的检测有较大的影响。因此有必要在各个倍率下对于四个反射电 子检测器的敏感度进行修正。检测器敏感度的修正，用预先制作的表面平坦 的标准试样来获得，然后在三维形状解析装置的计算机中把这些作为基准储 存起来。 ( b ) 深度校正 在本研究中用的三维形状解析装置在三维信息测定的时候受试样成分的 影响很大。也就是说，随着被测材料的不同检测出的深度信号也不同，因此 对于不同的材料深度信息的校正也十分必要。深度校正的时候，用图2 4 所 示的有3 0 。倾斜台的标准试样，然后把平坦的试样粘贴在上面，3 0 。倾斜的 信号在平面敏感度修正的同时被储存到计算机中。 为了对以上图2 3 和图2 4 的修正精度进行确认用如图2 5 所示的维士 硬度计的压痕进行确认，即确认三维信号的检测的正确性。 倾 图2 43 0 0 倾斜台 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 3 仿真图像的制作 图2 5 硬度压痕形状 2 3 1 倾斜度的修正 经过修正的图像检出装置所获得的断面的图像如图2 - 6 所示。该图像是 高碳铬轴承钢g c r l 5 的断面，断面形貌的高度由分为2 5 6 个水平等级的黑白 颜色表示。直接从测定系统获得的图像均有一定的倾斜度，如图( a ) 所示。这 是由于把试样在扫描电子显微镜( s e m ) 中放置的时候试样的轴向与电子束 的轴向不一致，而是与扫描电子显微镜( s e m ) 的电子束的轴向有一定的角 度。而且把试样的轴向与电子束的轴向完全调整一致是很困难的。这里在获 得画像后用r d 5 0 0 软件的3 点高度差修正功能减小倾斜度，从而提高粗糙 度和高度差的分辨率。图2 6 ( b ) 是进行3 点修正后的图像，与图( a ) 相比可以 看出倾斜度减小，粗糙度和高度差的分辨率提高了。 2 3 2 图像的叠加 f r a s t a 断面解析法是把一对断面重合叠加后逐渐增大它们之间的距 离，从而观察到裂纹的扩展的。图2 - 6 中所示的断面图像是用来测定三维断 面信息进而进行解析的断面，但是这些图像是不能直接进行图像的叠加的。 为了使两个断面的凹凸情况能够对应叠加起来，把两个断面的其中的一个左 右翻转，如图2 7 所示。这样，把两个数值化的断面信息进行叠加处理，所 得的数值图就是断面的透视图f a p p ，而两断面对应的相同坐标位置的直线 西南交通大学硕士研究生学位论文第 4 页 上的数值所得的高度曲线就可以得到横断面的x s p 的图像。 3 点修证前 ( b ) 3 点修正后 圈2 - 6 获得的断面图像 剖 9r个l中o o imilv一 几_ 蠢 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 i _ - - - 犁r l j nm ， f a ) 基准面( b ) 对向 lv 左右旋转j n 左右旋转后 2 4 断面图像的仿真方法 图2 7 图像的翻转 2 4 1 断面透视图 图2 8 表示了断面透视图的制作及其观察结果，断面的图像被进行2 5 6 个等级的数值化，各个位置的断面的高度也用数值表示出来。如图所示基准 面的图像2 8 ( a ) 和对面的图像2 8 ( b ) 相叠加后的图像如图2 8 ( c ) 所示。叠加后 的二值化的图像的控制值变化和两叠加断面之间的距离相对应。叠加后的断 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 面的图像高度的数值由于受2 5 6 等级的限制，并不是任意的数值都可以表示。 图( d ) 中所示的二值化的图像是把叠加后图像的的高度值的数值比控制值大 的地方用黑色表示，意味着还没有断裂，相反比控制值小的地方用白色表示， 表示已经断裂。这样把重叠后并且进行二值化的图像的控制值改变，即两断 面之间的距离，就可以观察到裂纹的扩展过程。 l l 一 ( a ) 基准面 ( b ) 对面 ( c ) 叠加结果 ( e ) 控制值7 5 时 懑框内数值表示粗糙度 8 11 0 8 圈6 3 囡囡 7 91 2 8 囫8 2 垦圈 ( 雌准面 ( b ) 对面 ( c 膊准 埔制：誓巢煳用 图2 8断面透视图f a p p 观察 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 2 4 2 横断面投影图 图2 9 表示了横断面投影图的制作以及结果的观察，把从数值化的两个 断面上同样的位置获取的断面的高度曲线相重合后慢慢的增大其间距离使其 分离，这样从横断面就可以看到裂纹的开裂的过程。颜色深的部分是两断面 重叠的部分，该部分和裂纹扩展过程中材料发生的塑性变形相对应。白色部 分表示已经断裂的部分。 图2 - 9 断面投影图x s p 观察 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 第3 章g o r15 钢旋转弯曲疲劳特性及破坏过程仿真 分析 金属旋转弯曲疲劳试验是一种常见的疲劳试验方法。这种方法的特点是 设备简单、成本低，而且有大量的实验数据的积累，已与材料的静强度、拉 压疲劳极限和扭转疲劳极限等建立了一定的经验关系式，因而目前得到了广 泛的采用。 高碳铬轴承钢做为一种广泛应用的高强度钢，人们对其开展了超长寿命 疲劳问题的研究。前面绪论介绍了以s h i o z a w a l 3 3 , 3 4 】等为代表的日本学者开展 的对日本产高碳铬轴承钢j i ss u j 2 的旋转弯曲超长寿命疲劳试验，发现了其 具有表面和内部裂纹萌生的两条孓曲线( d u p l e x 孓c u r v e ) 。对于内部萌 生的疲劳破坏的机理，s h i o z a w a t 4 2 , 4 3 】等运用f r a s t a 法进行仿真分析，并且 对g b f 区域进行了多方面的详细观察和分析，并提出了微小碳化物剥离 模型。g c r l 5 钢的化学成份虽然和s u j 2 钢相似，但热处理条件和机械性能 等存在差别，微小碳化物剥离模型对其是否仍然成立，用f r a s t a 法进 行仿真分析是否能得到类似的结果尚且不清楚，因此对于该方面的研究十分 必要。 我国中科院力学所的周承恩等使用同样的疲劳试验机也开展了对国产高 碳铬轴承钢g c r l 5 超长寿命疲劳行为的研究【5 引。结果表明，g c r l 5 钢并不具 有s u j 2 钢所表现出来的台阶下降形状的孓曲线，其孓曲线呈连续下降 趋势，且疲劳强度低于s u j 2 钢，疲劳寿命也存在较大的分散性，但周承恩 等并没有阐明g c r l5 钢与s u j 2 钢的s _ 曲线及疲劳性能差异的原因，对于 内部裂纹萌生的机理也没有进行深入的探讨。 本章选用g c r l5 钢，用旋转弯曲疲劳试验机下得到的断面，通过 f r a s t a 法对内部裂纹萌生和扩展行为进行了仿真分析，并且对g b f 区域的 微观组织进行了详细的分析和观察，以探讨内部裂纹萌生和扩展的微观机理。 通过使用实验获得的s 数据推定了内部裂纹成长率，并基于内部裂纹成长 率，定量分析了材料内部夹杂物的尺寸对超长寿命疲劳寿命的影响，同时明 确g c r l 5 钢和s u j 2