（材料物理与化学专业论文）42crmo钢的超长寿命疲劳性能与最大夹杂的评估.pdf

东北凡学硕。f 学位论文摘费 摘要 传统上钢铁材料的疲劳性能的研究主要集中在低的循环周次范围，对于高周 次、超高周次循环的疲劳性能的研究较少。但是随着工业技术的发展，在许多领 域对设备和构件的可靠性和效率的要求越来越高。所以对高周疲劳的研究就显得 很有必要。本文采用超声疲劳技术对某一商用4 2 c r m o 高强钢进行超高周次疲劳性 能的研究，同时采用s e m 观测其断口形貌分析其疲劳断裂枫理。 实验分析发现，高强钢的超高周次疲劳的s n 曲线与传统的s n 曲线有些不 同，传统意义上的疲劳极限消失了。高强钢的疲劳裂纹源都有两种，一种在表面 的夹杂处，另一种在内部的夹杂处。通常裂纹源在表谣的夹杂比较小。距表面越 远，夹杂越小的其疲劳寿命也越大。 钢中最大夹杂严重的影响着其疲劳行为和其他的力学性能，因此，如何对其 最大夹杂的尺寸进行评估就显得很重要。本文的另一个方面的内容就是采用两种 极值统计方法( s e v , g p d ) 对此商用4 2 c r m o 钢中的最大夹杂尺寸进行评估，并且预 测了其对应的疲劳强度。与实验结果比较发现：两种方法预测的夹杂大小及疲劳 强度和超声疲劳实验的结果接近，且在一定的小体积范围内s e v 方法预测的最大 夹杂尺寸与实验结果更相近。 关键词：高强钢、超声疲劳性能、夹杂、最大夹杂尺寸、统计极值( s e v ) 、广义 帕雷托分布( g p d ) 东北大学颧l 学位论文a b s t r a c i a b s t r a c t t r a d i t i o n a l l y , t h es t u d i e so ff a t i g u ep r o p e r t i e so fs t e e l sf o c u so nt h el o wc y c l e f a t i g u er e g i o n ；w h e r e a s ，t h e r ea r ef e wp a p e r ss t u d y i n gt h ef a t i g u ep r o p e r t i e so fs t e e l si n h i g hc y c l ea n du l t r a h i g hc y c l er e g i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r yt e c h n i q u e t h e r ea r eh i g h e ra n dh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o re f f i e i e n c ya n dr e l i a b i l i t yf o rm a c h i n e sa n d s t r u c t u r e s s oi ti sn e c e s s a r yt or e v e a lt h eh i g hc y c l ef a t i g u eb e h a v i o r t h i sp a p e rs t u d i e s t h eu l t r a h i g hc y c l ef a t i g u ep r o p e r t i e so fac e r t a i nc o m m e r c i a l4 2 c r m oh i g hs t r e n g t h s t e e lw i t hu l t r a s o n i c f a t i g u et e c h n i q u e a n d i t i n v e s t i g a t e s t h e f a t i g u ef r a c t u r e m e c h a n i s mt h r o u g hs e mo 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 e e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ss h o wt h a tt h es - nc u l w eo fu l t r a h i g hc y c l ef a t i g u eo f h i g hs t r e n g t hs t e e li sd i f f e r e n tt ot h a to ft r a d i t i o n a lf a t i g u e n a m e l y , t h et r a d i t i o n a l f a t i g u el i m i ti se l i m i n a t e d t h e r ea r et w ot y p e so ff a t i g u ef r a c t u r eo r i g i no fh i g hs t r e n g t h s t e e l o n ei sa ti n c l u s i o no fs u r f a c e , t h eo t h e ri sa ti n t e r n a li n c l u s i o n g e n e r a l l yt h e i n c l u s i o n so fs u r f a c ef r a c t u r eo r i g i n sa r er e l a o v e l ys m a l l t h ef a t i g u el i f ei sl o n g e rw h e n t h ei n c l u s i o no ff r a c t u r eo r i g i ni ss m a l l e ra n df a r t h e ra w a yf r o ms u r f a c e t h ef a t i g u eb e h a v i o ra n do t h e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r ci n f l u e n c e db yt h e m a x i m u mi n c l u s i o ni ns t e e l s oh o wt oe s t i m a t et h em a x i m u mi n c l u s i o ns i z ei sv e r y i m p o r t a n t t w om e t h o d sr e l a t i n gs t a t i s t i c so fe x t r e m e s ，i e s t a t i s t i c so fe x t r e m ev a l u e s ( s e v ) a n dg e n e r a l i z e dp a r e t od i s t r i b u t i o n ( g p d ) a r ea d o p t e dt oe s t i m a t et h em a x i m u m i n c l u s i o ns i z ea n dt h ef a t i g u es t r e n g t ho fac e r t a i nc o m m e r c i a l4 2 c r m os t e e l c o m p a r e w i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i ts h o w st h a tt h ee s t i m a t e dr e s u l t so ft h et w om e t h o d sa r e i na c c o r d i n gw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n di ta l s os h o w st h a tt h ee s t i m a t i o n so f s e vm e t h o da r ec l o s e rt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si ns m a l lv e l u m co fs t e e l k e yw o r d s ：h i g hs t r e n g t hs t e e lu l t r a s o n i cf a t i g u e p r o p e r t y , i n c l u s i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c s i z eo ft h em a x i m u mi n c l u s i o n ( c s m i ) ，s t a t i s t i c so fe x t r e m ev a l u e s ( s e v ) ，g e n e r a l i z e dp a r e t od i s t r i b u t i o n ( g p d l j i 东北大学硕士学位论文绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 钢铁材料是创造现代文明的基础材料，它在人类科技进步发展中发挥着重要 的作用。钢铁材料的生产能力是世界各国实现工业化的必要条件，也是其综合国 力的重要指标之一。没有足够数量的优质钢铁就没有工业化和巩固的国防。 在材料领域，2 0 世纪堪称钢铁材料的世纪。钢铁生产技术高速发展，形成了 自动化程度很高的大规模生产流程。世界钢产量从1 9 0 0 年的3 1 0 4 万吨猛增至2 0 0 0 年的8 4 6 0 0 万吨，增长了2 7 倍。材料设计由“炒菜式”的经验型进步到有理论指 导的科学型。2 1 世纪钢铁仍是占主导地位的结构材料，没有哪一种材料能够全面 代替钢铁【n 。随着航空、航天等高科技的迅猛发展，钢铁材料困其成本低廉、工艺 成熟、可回收性好、符合可持续发展战路等特点，将使其特殊的经济战略地位更 加突出。 1 9 9 7 年，日本开始了“超级钢铁材料”的国家研究计划。1 9 9 8 年，在日本超 级钢项目的影响下，韩国也启动了“2 1 世纪高性能结构钢”的国家项目。 我国的钢产量子1 9 9 6 年就达到1 亿吨，居世界首位。然而目前我国仍是钢铁 大国，而非钢铁强国。随着国民经济发展的增长，对钢铁的需求日益增加。走单 纯增加产量的老路，我国的资金投入、资源供应、交通运输、环境保护等方面都 难以承受。所以“控制质量，调整结构，提高效益”是我国迈入新世纪初期钢铁 工业的工作目标1 2 1 。为满足经济建设和社会发展的需求，必须走一条新路。依靠科 技，提高钢的强韧性和使用寿命，研究、开发新代钢铁材料。于是几乎在日本、 韩国启动超级钢项目的同一时刻，我国也于1 9 9 8 年启动了“新代钢铁材料的重 大基础研究”项目。并被列入“国家9 7 3 ”第一抵启动的1 0 个项目之一。本课题 就是在这样的大背景下提出的。 1 2 国内外相关领域的研究概况 东北人学硕士学位论文绪论 1 2 1 传统疲劳的研究状况 现代工程中的大多数构件都存在由交变载荷而引起的疲劳问题，疲劳破坏导 致的工程构件失效事故占总事故的比例达8 0 以上。疲劳断裂，尤其是高强钢的 疲劳断裂，往往突然发生，导致灾难性的事故。因此材料的疲劳破坏问题一直是 国内外学者和工程界研究和关心的课题。 1 9 6 4 年日内瓦的国际标准化组织( i s o ) 发表的报告“金属疲劳试验的一般原 理”中给疲劳下了一个描述性的定义。这份报告把疲劳定义成一个专门术语：“金 属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳；虽然在一般情况 f ，这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化。”这一一描述也普遍适用于非金 属材料【3 1 。 自从1 8 5 0 年w o h l e r t 4 】开始对疲劳进行系统的研究以来，人们研究了各种力学 条件、组织结构和环境因素对众多工程材料的循环形变、裂纹萌生和扩展的影响， 同时分析了各种疲劳断裂的机理。在这期间做出较大贡献的研究人员有： b a u s c h i n g e r ( 1 8 8 6 ) 、e w i n g ( 1 9 0 0 ) 、b a s q w i n ( 1 9 1 0 ) 、g o u g h ( 1 9 2 6 ) 、i r w i n ( 1 9 5 7 1 、p a r i s 和e r d o n g a n ( 1 9 6 3 ) 、s u r c s h ( 1 9 9 0 ，等人1 3 】。软钢的特点为在循环1 0 6 周次以后，应力 寿命( s n ) 曲线表现为水平渐近线，因此人们期望低于此应力值，材料不再发 生疲劳断裂，并定义此时的应力为疲劳极限。由于常规疲劳试验机的载荷频率往 往低于2 0 0 h z ，完成1 d 7 周次以上的疲劳性能试验需要很长的实验时间和昂贵的实 验费用，所以传统上，人们普遍认为：在恒定的循环应力范围下，在1 0 7 周次时材 料疲劳失效存活率为5 0 ，置信区间为9 5 时，即为此材料的疲劳强度。但是随 着工业技术的发展，在许多工业部门( 例如：冶金、航空航天、交通运输、核电、 机械等) ，其构件承受高频低幅循环载荷作用，实际的疲劳使用寿命都在1 0 s 以上， 甚至更高。所以对超长寿命疲劳的研究就显得很有必要。 l 。2 2 超长寿命疲劳的研究进展 1 2 。2 1 超声疲劳技术 超声疲劳试验技术最重要的标志是1 9 5 0 年m a n s o n l 5 】的试验机，其原理是现代 超声疲劳实验技术的基础。1 9 5 9 年，n e p p i r a s 首次将超声疲劳试验技术用于材料 疲劳的应力一寿命( s n ) 曲线的测定。1 9 7 3 年，m i t s c h e 等率先将这一技术用于 2 东北大学顿f r 学位论文绪论 测量疲劳裂纹扩展并给出第一概a s a k 曲线。近年来，这一试验技术在欧美 各航空大国得到迅速发展，研究领域也逐渐拓宽，其研究包括各种加载形式及环 境条件下工程材料的超高周次疲劳寿命、裂纹扩展试验，研究的材料包括航空航 天、汽车、火车、海洋工程等工业部门中关键结构的铝、钛、镍、钢等，以及金 属基复合材料和陶瓷材料。同时此技术已应用于材料磨擦磨损和微动疲劳等方面 的研究。美国a s m 已正式将超声疲劳试验纳入m e t a lh a n d b o o k ，v o 8 ， m e c h a n i c a lt e s t i n g 中，并开始进行规范实验方法的工作【6 1 。 目前超声疲劳实验系统已经在美国、法国、日本、加拿大、澳大利亚和中国 等大学和研究机构建立并开展了大量的研究工作。其中以法国b a t h i a s 教授和奥 地利s t a n z l 教授各自带领的实验室研究级处于领先的地位，日本的几个实验室的 研究也发展很快。例如：w u 和i d r i s s i 7 l 研究了钛合金高温超低速裂纹扩展行为， n i 【8 1 和b o n u s p l 研究了镍合金高温裂纹扩展行为，j a g o 1 0 l 研究了钛合金液氢低温疲 劳断裂行为，f a n ，w a n g 和g a n z a l e s 0 1 l 发展和完善了超声弯曲疲劳实验系统并实验 研究了a 1 基复合材料的疲劳。k a n a z a w a 1 2 】利用超声疲劳实验观测到低合金钢高周 疲劳内部裂纹萌生机理。s t a n z l 教授的研究组利用附加剪切加载，首先实现了超 声振动扭转疲劳试验，并比较研究了汽车用轻含金在不同腐蚀环境下超高周拉一扭 疲劳性能陋蝤】。在我国，有关超声疲劳试验技术和材料的超高频疲劳性能的研究 还很少，主要的研究机构有：西南交通大学强度与振动四川省重点实验室，中国 北京航空航天大学，中国科学院金属研究所。 超声疲劳试验技术的主要优缺点f m 8 】： 主要优点有： ( 1 ) 、节省时间：和传统的疲劳试验机相比，超声疲劳试验机可以节省1 0 0 1 0 0 0 倍的时间。例如1 矿循环周次，用频率为5 0 h z 的传统的液压伺服疲劳试验杌大约 需要8 个月，而用频率为2 0 k h z 的超声疲劳试验机则只需l 天左右。这就可以测 量非常高的循环周次范围的寿命和非常低的裂纹扩展速率范围 ( 加。3 1 0 。4m c y c l e ) 的疲劳性能。短的测量时间就可以在一定的时间内测量更 多的数量的试样。这对那些材掌季不均匀的需要大量实验来获取可信的统计数据的 疲劳测试来说尤为重要。 ( 2 ) 、节省能量：由于加载方式是谐振，同时加载的时间较短，因而所需的能量也 东北大学硕1 + 学位论义 绪论 较少。 ( 3 ) 、试样的固定：由于其加载为驻波形式，在试样端部应力为零。这对于那些脆 性材料，如陶瓷，就不用担心会在试样固定处发生断裂而使疲劳试验出问题。如 果r ：一l 时，试样只需固定一端。 主要缺点： ( 1 ) 、试样的几何形状：由于试样的加载方式是共振驻波，所以试样的几何形状必 须满足某一特定要求，这样就不能进行全尺寸的零构件试验 ( 2 ) 、材料的温度：超声频率循环加载会导致试样温度的升高，特别是软材料。塑 性形变和内摩擦会使裂纹尖端附近的温度升高，特别是那些热传导差的材料。为 了降低温度，间断周期就要加长，这样就会需要较长的时间。如果这些材料是在 真空中测量时，所需的时间就更长了。 ( 3 ) 、低周次循环无法测量：由于大约需要1 5 0 次循环，振动才能达到预定振幅， 而且由于频率太高，时间很短循环周次就很高了，因而不能进行单周或低周次的 循环疲劳测试。同时应力水平不能直接测量，需要通过应变测量来计算。 1 2 2 2 超高周次疲劳的研究状况 超声疲劳试验机的出现及超声疲劳技术的发展，使得材料的超高周次疲劳试 验得以广泛的开展。试验研究发现了许多新的有趣的现象，如疲劳裂纹萌生源通 常都认为是在构件表面，然而对许多材料的超高周次疲劳钡8 试显示出两种裂纹萌 生机制：一种起源于构件表面：另一种在构件内部。另外，传统上认为，材料具 有疲劳极限( 1 0 6 1 0 7 周次后的疲劳s - n 曲线出现无限水平渐进线) ，载荷低于此 疲劳极限，构件具有无限寿命。但是材料的超高周次疲劳结果表明：在1 0 7 周次以 上，疲劳破坏仍然可能会继续发生。也就是说，传统意义上的疲劳极限消失了， 如图1 1 。这就给现有的疲劳设计规范和疲劳断裂理论的解释带来了全新的概念。 国内外的许多科学研究人员作了大量的实验，针对这些有趣的现象提出了些解 释。 ( 1 ) 、m u r a k a m i1 1 9 1 在研究c r - m o 钢( j i ss c m 4 3 5 ) 的疲劳时发现在光学显微镜 ( o m ) 的观察下，断口表面的裂纹源处的夹杂附近出现一个暗区。他称之为光学 暗区( o d a ) 。他认为o d a 的形成是由于氢陷阱造成的。t a k a ie ta l 【刎通过二次 离子质谱( s i m s ) 方法直接探测出在夹杂与基体的交界处有氢陷阱的存在。在分 4 ， 东北大学坎卜学位论史 绪论 析过程中，m u r a k a m i 发现o d a 与疲劳性能之间存在一定的关系，具体试验数据 如图1 2 。从图1 2 中，我们可以看出几个规律：( a ) 当循环周次相同时，若氢含 量较高，则o d a 的面积相对于夹杂的面积也较高；( b ) 当o d a 相对于夹杂的面 积相同时，若氢含量较低，则其疲劳寿命较高；( c ) 对于同一个试样，o d a 的相 对面积较高则其疲劳寿命也较高。通过这一比较，我们可以看出单位面积的氢含 量较高时，o d a 的相对面积也较大，裂纹生长率也较大，寿命也较低。 针对这现象，m u r a k a m i 假设了一种机理，硬钢的超高周次疲劳裂纹源大多 是在非金属夹杂处。超长寿命可能受环境的影响很大，如氢陷阱。他认为氢在其 中起了关键性的作用。在o d a 中氢提高了螺型和刃型位错的迁移率，同时降低了 内摩擦力。这样氢的存在，有利于疲劳裂纹的萌生和扩展，促进了开裂失效。 ( 2 ) 、h i o z a w ae ta lf 2 l j 研究了许多高强钢和表面硬化钢的超高周次疲劳性能，他 们认为疲劳裂纹萌生源是在试样的亚表面的夹杂处。在断口的s e m 分析中他们发 现在“鱼眼”周围出现许多亮面区，他们称其为晶粒亮面( g b f ) ，同时他们发现 在疲劳过程中g b f 的形成控制着内部断裂的模型。 他们根据断面的拓扑分析，假想了种g b f 的形成机理。如图1 3 ，最初多 个微裂纹在非金属夹杂周围萌生，如图1 3 ( a ) ；接着在疲劳过程中，一些裂纹开 始长大并结合，进而形成g b f 面，如图1 = 3 ( b ) ；最后，疲劳裂纹继续扩展形成 了“鱼眼”如图1 3 ( c ) ，直至最后失效。 ( 3 ) 、 m i l l e re ta lf 2 2 】做了大量的试验，讨论了许多影响疲劳性能的因素。例如， 锻炼和体息期间，起伏应力，环境及其他转变过程的影响，表面处理等。关于超 高周次疲劳问题，他们认为应该用显微结构断裂力学来分析。当表面疲劳失效被 减弱甚至消除时，失效源就会从表面转移到内部。在内部( a ) 长晶界处，( b ) 小 沉淀物，夹杂或非常小的晶粒嗣定在两三个大的晶粒间，( c ) 前面两种情况都存 在的地方，在这些地方很容易产生应力集中。在这些应力集中带，可能产生非常 短的第1 、第阶段取向的裂纹，并使其长大穿过两或三个有利取向的晶粒。或者 在高频测试和高的应力比rf ，在这个应力集中带可能产生一个初始准分裂裂纹。 他们认为这需要用新的微观过程和微观机理来解释。超高周次疲劳失效并不是由 一种机制或过程产生的，而是由几种机制或过程共同作用的结果。例如，基于时 间和基于循环应力的疲劳机制，新的位错理论等。 ( 4 ) 、n i s h i j i m ae ta l1 2 3 1 研究了多种表面硬化层厚度不同的碳钢和没有表面硬化的 s 东北大学硕士学位论文结论 钢的超高周次疲劳1 2 4 , z 5 】。他们认为内部疲劳裂纹通常是在原奥氏体晶界的非金属 夹杂处萌生。若材料中夹杂的含量不够，则裂纹容易在大晶粒里的马氏体板条问 形成。在大多数情况下，裂纹的萌生属于剪切类型，取向倾向于最大剪切应力方 向。这表明内部裂纹萌生和表面裂纹萌生的类型是相似的，即通常我们所说的第】 阶段裂纹( 剪切裂纹) 。当第1 阶段裂纹长大并合并到一定的尺寸时，在所加载的 应力条件下能使裂纹偏析时，第阶段裂纹就可能开始扩展。第阶段裂纹垂直 于最大应力轴方向显著扩展，真至试样表面。 他们在解释s n 曲线中两个拐点的问题时认为，第一个斜线部分对应于表面疲 劳开裂模式，第二个斜线部分对应于内部疲劳开裂模式，而水平部分对应于表面 疲劳极限。内部疲劳和表面疲劳开裂模式本质上是相同的，它们可能同时发生。 目前针对这一现象的解释还很多1 2 6 - 2 s ，分析其影响因素的报道也很多1 2 9 - 3 3 ， 但却还未有统一的机理。不过我们从中可以看出一个相同点，即夹杂对超高周次 疲劳性能的影响很大，因此对钢中夹杂的研究与控制是十分重要的。 l 酽1 0 6l 旷1 0 81 0 91 0 l o n u t h b e r 吖田d e st 一缸g u e 图1 1 典型的超声疲劳实验s n 示意图 f i g1 1q 3 7 p i c a ls - nc 1 1 r v g so f u l t r a s o n i cf a t i g u e 宵山j、d世譬一h口g扫 东北大学硕 ：学位论文 结论 4 厂一乙警一i = 1 r 一1 b 9 誊、”； ，i “? 等“”1 |，卜 if l 卜盏二塑j 。 ! r - o o o1 | o ? 。l 、 孥避鼍 。：s p c “m c n0 i：s p c c i m c nv a f s p o c j n c nv q- , , ；p e c i m e nv a 2 图1 2o d a 大小和疲劳循环周次的关系 f i 9 1 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h es i z eo fo d aa n dt h en u m b e ro fc y c l e st of a t i g u e 图1 3g b f 的形成模型 f i g1 3g b f f o r m a t i o nm o d e l 1 2 3 钢中夹杂的评估 1 2 3 1 金相法 金相法是传统判定夹杂含量的方法，最常见的有j - k 图表法融3 6 1 。随着计算机 自动控制图象分析系统的应用，能定量得到非金属夹杂的特征。它不仅可以测量 夹杂的大小和数量，也可以定量确定其分布。这种方法的优点是比较简单【3 7 】。但 东北大学碗士学位论文 绪论 是这种方法主要存在的不足是，给出关于夹杂的形貌的信息太少，分析过程耗时 且结果受试样开始准备工作的影响较大，解决此问题的唯一方法是准备试样时要 卜分细致1 3 8 ，3 9 】。另外对夹杂很少的钢来说，需要测量的视场很大，而对于纯净和 超纯净的钢来说，这种方法就不适合。 1 2 3 2 无损检测法 目前常用的无损检测法有：超声检测法、磁性检测法、x 射线衍射检测法。 ( 1 ) 超声检测法 这种方法是根据基体和缺陷的声学性能的不同而得到的i 蛐1 。目前能探测到的 缺陷范围是大于1 0 0 1 1m 左右。此方法的主要优点是可以进行大体积检测及非损伤 性。传统上的探测频率较低，一般低于1 0 m l - l z ，因而它就无法检测较小的缺陷，例 如5 0 - 1 0 01 1i i l 的缺陷就无法探测到。随着商频超声探测技术的发展，3 0 1 0 0 m h z 的 探头的应用，小于1 0 0 i tr n 的缺陷也能被检测到。然而随着频率的提高，虽然可探 钡9 到较小的缺陷，但是探测深度同时也大大减小。这种方法的不足之处是检测越 精确，能检测的范围就越小，同时其探测的结果受表砥质量及构件的均匀性影晌 很大【4 1 ，4 2 1 。 ( 2 ) 磁性检测法 这种方法主要用于冷轧厚板，热轧带的内部探伤【4 3 删。其原理是当在铁磁体 材料近表面处出现不连续，如有夹杂或缺陷那么就会产生个磁漏通量。这种 方法的不足之处是只对延展性夹杂敏感，同时当延展性夹杂延展超过某定值时， 对磁场的影响又很小。太小的夹杂不容易被检测到【4 5 删。 ( 3 ) x 射线衍射检测法 这种方法只是把夹杂的图象放大接受，通常可以放大5 1 0 倍1 4 7 醇】。它的不 足之处是很难区分孔洞和夹杂。另外，测试量大，费用高也是其不足之处。 1 2 3 3 夹杂浓缩检测方法 纯净钢中夹杂的含量低，这就意味着在抛光面处可观测到的夹杂数量很有限。 这样为了得到统计结果，就不得不进行大量的观测，工作量就非常大。为了解决 这个问题，发展了夹杂浓缩方法。这种方法可以把丈块样品中的非金属夹杂集中 到表面的一个小面积里。这样夹杂就更容易被检测到。最近几年发展了两种方法： 8 - 东北大学硕士学位论文 绪论 电子束球熔( e b b m ) f 4 9 - 5 l i 和冷坩埚重熔( c c r ) i s z , 5 3 l 1 2 3 4 断口检测方法 出现在断口的夹杂颗粒的数目比在抛光面上出现的多得多，这是因为断裂通 常是在最有害的夹杂处萌生并扩展的，在断口，其主裂纹有寻找夹杂的趋势，这 样断口面遇到夹杂的概率比抛光面切到的大得多【4 7 脚j 。 这种方法的主要优点是：与金相法比较，能表征更大体积里的最有害夹杂的 大小、类型及分布。其主要缺点是：检测的体积是薄片的一小部分，且对结果进 行统计分析很困难。同时对超纯净钢不能分析。 1 2 3 5 极值统计方法 极值统计方法是最近几年才发展起来的。它是根据极值统计的原理得来的， 其本质就是外推法。这类问题的最简单形式是，给定一系列未知分布的独立数据 来估计其最大值或最小值的分布。这样铡量小夹杂的问题就可以避免，丽只簧在 随机选取的定大小的面积或体积里测量大于某一临界门槛值的夹杂或最大夹杂 的大小脚刀。 目前已经发展了两种方法运用于实验中统计极值法( s e v 和广义巾巴雷托 法( g p d ) 。 s e v 方法是由m u r a k a m i 和他的合作者首先用于夹杂的分析方面p 蹦“。这种方 法的要点是：首先观测了一系列相同大小的视场，测量每个视场中最大的夹杂的 面积，再开平方根得夹杂的尺寸大小，然后根据这些数据运用g 砌b e l 分布函数对 大体积钢中的最大夹杂尺寸进行评估。这种方法有个不足之处是没有上限，所预 测的最大夹杂尺寸随着被预测体积的增大丽线性增大。 g p d 方法是由a n d e r s o n 和s h i 等人提出的f 删j 。这种方法所用的数据是每个 视场中大于某一临界门槛值u 的夹杂尺寸。和s e v 相比，其最大的特点是其预测 的最大夹杂尺寸有个上限值，这和现实较为相符。这两种方法都是根据小体积中 得到的夹杂大小的数据来预测其大体积钢中最大夹杂的大小。 东北大学顶士学位论文 1 3 本文研究的主要内容 1 。3 。1 本文研究的主要目的和意义 从前面的叙述我们可以看出，钢铁材料虽然是传统材料，但是它仍将是2 1 世 纪占主导地位的结构材料。低合金高强钢作为钢铁材料产品中的类，使用量大， 应用面广。它广泛应用于制造汽车、拖拉机、起重机、机床、矿山机械、船舶及 其他各种机械的轴、齿轮、连接杆、构件等重要的零部件。这些零部件承受的疲 劳循环周次一般都在1 0 8 以上，甚至更高，然而对这类材料的超高周次疲劳性能的 研究却还很少。因而很有必要对此作一个系统的研究。本论文正是在这样的背景 下开展的。本论文的主要目的是：分析高强钢的超高周次疲劳性能；预测其最大 夹杂的尺寸；分析超高周次疲劳性能与最大夹杂尺寸的关系。本论文的意义是从 实验上验证s e v 和g p d 这两种方法在预测高强钢中最大夹杂尺寸的可行性。找出 小体积钢中夹杂与其疲劳强度的关系。这对钢铁生产者和使用者来说，具有指导 意义。所以本研究是具有很强的实用意义。 1 3 2 论文的主要内容 本论文的主要内容有： ( 1 ) 采用超声疲劳试验技术，分析某一商用4 2 c r m o 钢的超高周次疲劳性能。采 用扫描电镜分析其断1 2 形貌，观察其断裂源处夹杂的情况，进而分析疲劳 性能与夹杂的关系。 ( 2 ) 采用s e v 和g p d 两种方法预测4 2 c r m o 钢中的最大夹杂尺寸，进而预测其 疲劳强度。 ( 3 ) 比较两种方法预测的结果和超声疲劳实验的结果，判断这两种预测方法在 预测高强钢中的最大夹杂尺寸及其疲劳强度的实用性。 东北、学碗l 学位论文 第一章4 2 c r m o 钢的超声疲劳件能 第二章4 2 c r m o 钢的超声疲劳性能 2 1 引言 从1 9 5 0 年开始，超声疲劳就因其省时而被运用到材料的疲劳实验的研究中。 当高的循环频率被运用到疲劳测试中，人们会问；循环频率的急剧增加是否会显 著的影响疲劳过程? 超声疲劳方法得到的实验数据和传统方法得到的数据是否具 有可比性? 对此，前人做了大量有关高的振动频率对超声疲劳实验影响的研究工 作f 6 5 蜘。 最早对超声疲劳和传统疲劳进行比较的是s p e i d e l 等人i 6 s ，他们研究了1 2 c r 钢在两种环境中( 霹蚀环境和抗腐蚀环境) 的疲劳裂纹生长行为。他们发现在腐 蚀环境中，在接近疲劳门槛值时，疲劳裂纹生长受到循环频率的影响。而在抗腐 蚀环境中，循环频率的影响消失，铡得的裂纹生长率相似。这说明在非腐蚀环境 中，频率对疲劳裂纹生长没有显著的影响。m a t s u o k a 等人f 唧研究了循环频率对高 强马氏体钢i - i t s 0 和奥氏体不锈锅s u s 3 0 4 在接近门槛值的疲劳裂纹的生长的影 响，得n t 同样的结果! 一f i o f f d n e r l 7 0 l l 较了三种材料在应力比r = 一1 时的超声疲劳 裂纹生长数据，也发现频率对其疲劳性能没有显著的影响。虽然由于高的循环频 率会对温度和应变比有些影晌，但是前人的大量研究工作表明，高的循环频率对 超声疲劳实验结果的影响并不大，不会影响到所得实验数据的正确性f 7 1 问。 早期超声疲劳豹研究工作主要集中在恒幅载荷条件下( r - 一1 ) ，材料的疲劳寿 命和疲劳强度m , 7 4 1 ，以及材料疲劳裂纹生长等的测试上i7 5 - 7 6 ，对于超声疲劳的失 效机理，特别是材料超声疲劳性能与夹杂关系的研究比较少。为此，我们研究了 某一商用4 2 c r m o 钢的超声疲劳性能，观察其间夹杂的分部情况，分析他们之间存 在的联系。 2 2 超声疲劳实验 2 2 。1 超声疲劳实验的设各 东北大学坝i j 学位论文 第一章4 2 c r m o 钢的超声城劳性能 超声疲劳实验系统的主要设备： ( 1 ) 超声频率发生器，也叫激振电源。它的主要功能是将常用的5 0 h z 电压转化 为2 0 k h z 的高频正弦波电信号，同时可用调压器控依i 振幅。 ( 2 ) 压电换能器，将电源提供的电信号转换为同样高频率的机械振动。 ( 3 ) 振幅放大器，常称为锥体，根据疲劳加载水平的需要，放大( 或缩小) 压 电换能器输出的机械振动振幅。 ( 4 ) 试样，与换能器、放大器组成谐振系统，其几何形状必须满足谐振条件并 能达到所需的应力水平。 ( 5 ) 光纤传感器，测量振动的振幅、频率和振动周次。改进的实验设备利用电 子计算机和a d ，d a 转换器自动控制，可以实时测量、记录振幅、频率 和周次，更重要的是实现了实验中振幅的预置和随机调控。 ( 6 ) 基本系统与一台拉伸疲劳试验机、一个传载器和一个下锥体结合，则可以 实现变应力和复合载荷的疲劳试验。下锥体的作用是将试样传来的振动衰 减至零，以免影响拉伸机。 ( 7 ) 附加环境试验装置，如冷却系统，腐蚀系统等，则可以实现环境条件下的 超声疲劳试验。 图2 1 给出了超声疲劳实验系统的主要部分。 l k 卧文 一1 、 ，- i i 、 一敏戈嚣 又 l 。 厂 1 0 x1 0 9 1 o 1 0 9 1 0 x1 0 9 5 4 02 7 1 5 1 0 6 1 0 x1 0 9 5 2 0 1 0 xa 0 9 表2 2 疲劳实验升降法所用的数据 t a b l o2 2t h ed a t ao ff a t i g u eu s e di nt h es t a i r - e a s em e t h o d 升降法求疲劳强度的置信度y = 9 5 ，存活率d = 5 0 。如图2 3 ，根据资料1 8 l j 中( 1 6 4 ) 式 s 。一蔷7 , s s 。n ：一5 5 8 m p 口 s ，一1 0 9 寿命下的中值疲劳极限，n 一对子总数 1 6 ( 2 1 4 ) 东北大学硕士学位论立 第二章4 2 c r m o 钢的超声疲劳性能 标准差s = 2 9 8 m p a 变异系数 _ s 。0 0 5 3 4 ( 2 1 5 ) s 。 据参考资料【1 8 】表1 6 1 可知 i f = - 6 即可满足y = 9 5 ，d = 5 0 的要求。因此该材料 n t = 1 0 9 循环的疲劳强度为5 5 9 m p a 。其疲劳应力一寿命( s n ) 曲线如图2 4 图2 ，3 用升降法求疲劳强度 f i g2 3t h es t a i r - e a s em e t h o d t od e t e r m i n et h ef a t i g 怃- s t r e n g t h ts u 卜i n f r a c vi n t - l r m - f r a e 一 n o b f m c 女 _ “ i “ l 3 ) 。 _ 图2 44 2 c r m o 钢的s - n 曲线 f i g2 4t h es - no l l v eo f4 2 c r m os t e e l 1 7 宙t堇百器lls e，e)(e墓 一也=飞ej苗e，uj一蠢芏 彖北大学硕i 二学位论文第二章4 2 c f m o 钢的超声疲劳r 能 2 3 2 疲劳断口分析 对所有的疲劳试样的断口在s e m 下进行微观观察，发现疲劳裂纹源有两种： 表面夹杂( s i ) 和内部夹杂( i ) 。如图2 5 ，列举r 这两种裂纹源的典型情况。其 中( a ) 图为表面夹杂的情况，( b ) 图为内部夹杂的情况。图2 6 ( a ) 显示断【 由疲 劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区组成。疲劳裂纹在表面或内部的夹杂 处萌生，然后呈扇形向四周扩展。图2 6 ( b ) 为裂纹源区高倍放大图像，其断裂为 解理断裂。这与常规疲劳实验的断口特征没有明显的差别，因而超声疲劳的断裂 机理与常规的疲劳实验的断裂机理应该是相似。 ( a ) 表面夹杂引起疲劳开裂 ( b ) 内部夹杂引起疲劳开裂 图2 5 疲劳裂纹源的两种情况 f i g 2 5t h et w oc o n d i t i o n so ff a t i g u ef r a c t u r eo r i g i n 东北人学硕t 学位论文 第二章4 2 c r m o 铡的趟声玻苇性能 ( a ) 断口全貌 ( b ) 裂纹源区高倍放大圈 图2 6 超声疲劳断日形貌 f i g , 2 6 e x a m p l e s o f f r a c t u r es u r f a c e s i n u l t r a s o n i c f a t i g u e 图2 7 为对夹杂进行能谱分析得到的结果，我们发现这些夹杂的主要由 a 1 ，c a ，m g ，s i ，0 等元素组成的非金属氧化物。所有作为疲劳源的夹杂物都与基体脱 开，多数夹杂都破碎开裂。有些在两边甚至出现明显的小三角状孔洞，可能是热 加工轧制过程中夹杂与基体变形不协调引起的。图2 8 为疲劳断口裂纹源处夹杂 的高倍放大图象，从中可以看见明显的对称小三角状孔洞，图2 9 为原始试样金 相试验在扫描电镜下观测得到的图象，从中也可以隐约看见对称的小三角状孔洞 的痕迹。因此我们认为，可以把夹杂看成是徽裂纹，其在疲劳过程中成为疲劳裂 纹源。对断口起裂区夹杂物的直径( 由面积开平方换算得到) 和其距离表面位置d 进行测量，其结果列于表2 3 中。 东北大学硕学位论文 第一学4 2 c r m o 钢的超声疲劳性能 ， o 乡j；b 图2 ，7 夹杂的能谱图 f i g 2 7e d s o fi n c i u s i o n e n e o 口y 畔e v ) 圈2 8 疲劳断口裂纹源处的夹杂 f i 9 2 8t h ei n c l u s i o ni nt h ef a t i g u ef r a c t u r es u r f a c en e a rf r a c t u r eo r i g i n 图2 9 未疲劳试样在扫描电镜f 观察到的夹杂 f i g z 9t h ei n c l u s i o ni nt h es a m p l ew i t h o u td o i n gf a t i g u ec x p e d m o n t 2 0 东北犬学硕t j 学位论文第，：章4 2 c r m o 钢的超声疲劳性蘸 应力疲劳寿命n f距离尺寸 试样号 旆站0 d m x - j t w 、 c r m a x ，m p a c y c l ed - z m 巾，z m 15 6 09 4 7 5 1 0 6i1 8 01 9 8 25 6 0 1 8 9 8 x 1 0 7i5 2 5 7 0 3 5 6 01 0 2 2 x1 0 8i5 8 26 0 。8 4 5 8 01 6 1 1 1 0 611 1 23 6 1 2 4 2 5 5 8 05 5 4 4 x1 0 6i6 4 15 0 4 65 8 08 2 7 5x1 0 6i 8 1 86 4 1 2 7 9 75 8 01 2 8 5 x1 0 7i 5 9 26 0 8 85 8 0 3 6 6 5 x1 0 7 i 4 9 6 64 2 9 5 4 02 7 1 5 x 1 0 6s 100 1 05 6 0 3 7 1 8 x1 0 5s 103 8 6 3 2 1 15 6 04 3 6 1 1 0 5s 106 0 2 3 4 1 25 8 01 9 6 6 x 1 0 6s 103 5 8 1 35 8 03 1 1 3 x1 0 5s 10 3 6 2 1 45 8 0 4 4 1 5 l o s s 1 04 4 4 3 1 7 1 56 0 0 4 7 1 9 x1 0 5s 103 9 2 0 1 66 2 0 5 5 9 3 x1 0 5s 102 2 7 1 76 6 08 7 8 9 x 1 0 4s 1 02 7 】87 0 07 2 2 7 x 1 0 4s 1 03 7 1 95 2 0) r 1 0 x 1 0 9一一一 2 05 4 0 1 o x i 0 9一一一 2 15 6 0 1 。o 1 0 9 一一一 2 25 6 0 1 0 x 1 0 9一一一 2 35 6 0 1 0 x 1 0 9一 一 一 表2 34 2 c r m o 钢疲劳开裂的有关数据 t a b l e2 3f a t i g u ec r a c k i n gd a t a o f4 2 c r m os t e e l 2 1 东北人学硕士学位论文 第