（冶金物理化学专业论文）2000mpa级中碳高强度弹簧钢的疲劳破坏行为.pdf

昆明王| l ! t 大学硕i 学位论史 摘要 摘要 本文阐述了目前国内外高强度弹簧钢的发展趋势。主要采用光学金相、透射 电子显徽镜、扫描电子显微镜、旋转弯曲疲劳实验、裂纹扩展速率实验等手段， 开发研究了一种2 0 0 0 m p a 级中碳高强度弹簧钢的疲劳破坏行为，以期为开发新一 代高强度弹簧钢提供数据积累。 对实验钢微观组织的观察表明，其微观组织随回火温度的变化情况与一般中、 高碳钢基本一致。由于实验钢中硅含量较高，能够阻碍和推迟碳化物的溶解以 及渗碳体的析出，因而上述组织转变过程被明显推迟。这使得当回火温度低于3 5 0 时，随着回火温度的升高，实验钢的硬度和抗拉强度缓慢降低，屈服强度逐渐 升高；当回火温度大于3 5 0 时，实验钢的硬度、抗拉强度和屈服强度均开始明显 下降。 旋转弯曲疲劳试验结果表明，实验钢的疲劳极限在回火温度为3 5 04 c 时有最大 值，达到8 1 0 m p a 。这主要是实验钢在此回火温度下具有良好的强韧性配合。实验 钢的疲劳性能明显优于传统的弹簧钢6 0 s i 2 c r v a 。引起实验钢疲劳破坏的非金属央 杂物主要为含t i 和v 元素的多棱角、硬脆的碳氮复合夹杂物，其尺寸较大，平均 大小为5 0 士1 0 9 m 。在2 0 0 和3 5 0 回火时，夹杂物引起疲劳断裂的断裂模式绝大 部分为所谓的“鱼艰”断裂；当回火温度提高到5 0 0 时，实验钥的疲劳破坏与中 低碳钢一样均起源于表面基体。 裂纹扩展速率实验表明不同回火温度下的实验钢的疲劳裂纹扩展速率在裂纹 扩展的第二阶段对微观组织的变化并不敏感。实验还发现p a r i s 公式中的m 和c 值 相互互补，变化很小，两者共同体现了实验钢裂纹扩展速率的第二阶段具有对不 同的微观组织特征并不敏感的现象。 此外，用由m u r a k a m i 提出的极值统计法和传统的经验公式还对实验钢的疲劳 极限进行了预测，结果表明预测值与试验结果出入较大，因而有待进一步完善高 强度钢疲劳极限的预测方法。 关键词：中碳高强度弹簧钢；疲劳破坏；裂纹扩展速率；极值统计 昆明理工大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s tr a c t t h ef a t i g u ef r a c t u r eb e h a v i o u ro fak i n d o f2 0 0 0 m p a - c l a s sm e d i u m c a r b o nh i g h s t r e n g t hs t e e lf o rs p r i n gw a ss t u d i e db yu s i n go p t i c a lm i c r o s c o p e ，t e m ，s e m ，r o t a t i n g b e n d i n gf a t i g u et e s ta n df a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t et e s t t h ec h a n g eo fm i c r o s t r u c t u r eo ft e s t e ds t e e l sw i t hi n c r e a s i n gt e m p e r i n gt e m p e r a t u r e i ss i m i l a rt ot h a to fc o m m o nm e d i u ma n dh i g hc a r b o ns t e e l s h o w e v e r ，o w i n gt oh i g h e r s i l i c o nc o n t e n to ft e s t e ds t e e l s 。t h ed i s s o l v i n go f - c a r b i d ea n dt h et r a n s f o r m a t i o no f e - i r o nc a r b i d et oc e m e n t i t ei sd e l a y e dc o n s i d e r a b l y ，w h i c hr e s u l t si nt h es l o wd e c r e a s e o fh a r d n e s sa n dt e n s i l es t r e n g t h ，t h ei n c r e a s eo fy i e l ds t r e n g t hw i t ht h ei n c r e a s i n go f t e m p e r i n gt e m p e r a t u r e w h e nt h et e m p e r i n gt e m p e r a t u r ei sb e y o n d3 5 0 c ，h a r d n e s s ， t e n s i l es t r e n g t ha n dy i e l ds t r e n g t ha r ea l ld e c l i n e do b v i o u s l y t h er e s u l t so fr o t a t i n gb e n d i n gf a t i g u et e s ts h o wt h a tt h et e s t e ds t e e lh a st h eh i g h e s t f a t i g u el i m i tw h e nt e m p e r e da t3 5 0 。cc o m p a r e d t ot e m p e r e da t2 0 0 。ca n d5 0 0 。c t h i s i sm a i n l yb e c a u s eo ft h et e s t e ds t e e lh a v i n gb e t t e rc o m b i n a t i o no fs t r e n g t h ，t o u g h n e s s a n dd u c t i l i t y t h ef a t i g u ep r o p e r t yo ft h et e s t e ds t e e li so b v i o u s l ys u p e r i o rt ot h a to f t h ec o n v e n t i o n a ls p r i n gs t e e l6 0 s i 2 c r v a t h en o n - m e t a l l i ci n c l u s i o n s ，w h i c hi n i t i a t e d f a t i g u ef r a c t u r eo ft h es t e e lu s e d ，a r em a i n l yl a r g ea n db r i t t l ec a r b o n i t r i d e sc o n t a i n i n g va n d o rt iw i t ha na v e r a g es i z eo f5 0 士10 1 a m w h e nt h es t e e lu s e dw e r et e m p e r e da t 2 0 0 1 2a n d3 5 0 。c ，t h es oc a l l e df i s h e y et y p ef r a c t u r ew a sd e v e l o p e d ，c o m p a r e dt o s u r f a c em a t r i xt y p ef r a c t u r ew h e nt e m p e r e da t5 0 0 。c t h er e s u l t so ff a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t et e s tu s i n gc o m p a c tc tt y p es p e c i m e n s h o wt h a tf a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t e sa tt h es e c o n dp h a s eo fc r a c kp r o p a g a t i o na t d i f f e r e n tt e m p e r i n gt e m p e r a t u r e sa r ei n s e n s i t i v et ot h ec h a n g e so fm i c r o s t r u c t u r e p a r a m e t e r so fma n dci nt h ef o r m u l ao fp a r i sa r em u t u a l l yc o m p l e m e n t a r ya n dh a v e s m a l l c h a n g e sw i t ht e m p e r i n gt e m p e r a t u r e i n d i c a t i n g t h a ta r ei n s e n s i t i v et o m i c r o s t r u c t u r e f u r t h e r m o r e ，t h ep r e d i c t i o no ff a t i g u e l i m i tu s i n gt h e e q u a t i o ns u g g e s t e db y m u r a k m ic o n t a i n i n gt h ep a r a m e t e r so fh a r d n e s sa n dt h em a x i m u ms i z eo fi n c l u s i o n o b t a i n e df r o ms t a t i s t i c so fe x t r e m em e t h o da n dt h ec o n v e n t i o n a le q u a t i o nc o n t a i n i n g b o t hs t r e n g t ha n dd u c t i l i t ya r en o tc o n s i s t e n tw i t ht h et e s t e dr e s u l t s s ot h em e t h o dt o i i 昆明理t 大学硕：学位论史 a b s t r a c t p r e d i c t i o nt h ef a t i g u el i m i to fh i g hs t r e n g t hs t e e ln e e d sf u r t h e ri m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：m e d i u m - c a r b o nh i g hs t r e n g t hs t e e lf o rs p r i n g ；f a t i g u ef r a c t u r e ；f a t i g u e c r a c kp r o p a g a t i o nr a t e ；s t a t i s t i c so fe x t r e m e 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不合 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 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果曲本人承担。 f 学位论文作者签名：百才椤钮 日期：2 - v 5 # - f 月j 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 昆明理工大学与钢铁研究总院合作培养的研究生学位论文，钢 铁研究总院享有与昆明理工大学同样的使用权利。 导师签名：二釜肇论文作者签名：盟控垒 日 期：兰! ：! 生f 月 ! 旦 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪言 第一章绪言 1 1 高强度弹簧及其用钢的特征和要求 弹簧是十分重要的机械零件，在各种机械中弹簧起着减缓、减震、贮能、联 接、支撑、密封、传动等各种作用。弹簧在国防、工农业、科技及日常生活中得 到了广泛的应用，上至火箭、卫星，宇航设备，下到汽车、火车、各种机械、仪 表，乃至家用电器、手表、自行车都离不开弹簧及弹簧零件。 弹簧是在周期性的弯曲和扭转等交变应力下工作，经受拉、压、扭转、冲击 等动负荷的条件，有时还要承受极高的短时突加载荷，因此要求弹簧钢必须具有 较高的疲劳强度、高的抗拉强度和屈强比、足够的塑性和韧性以及良好的表面质 量、低的脱碳敏感性、在冷热状态下容易饶卷成型、较好的淬透性等。 弹簧钢是制造各类弹簧和有类似性能零件的最主要材料。它是指由于其在淬 火和回火状态下的弹性，而专门用于制造弹簧和弹性元件的钢。虽然在某些特殊 场台也使用一些其它材料，如铜基合会、镍基合金、钛合金等金属合金以及非金 属合成材料，但基本用量很小。可以说，弹簧钢的生产发展水平及其质量、性能 在汽车、机车车辆、机械等工业部门的发展中扮演着十分重要的角色。按照我国 习惯，弹簧钢属于特殊钢。 弹簧钢按成形类型可分为热成形弹簧用钢材和冷成形钢材两种。按化学成分 又可分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢。 热成形弹簧用钢材包括线材和棒材( 圆钢、方钢和扁钢) ，其规格较大，主要用 做汽车、机车等行业的钢板弹簧、螺旋弹簧和扭转弹簧。它是在加热条件下加工 成形，并进行淬火及中温回火处理，以形成中温回火马氏体组织，可使弹簧得到 优良的力学性能和疲劳性能。冷成彤弹簧用钢材包括钏丝、钢带，其规格小，一 般加工成小型弹簧。 碳素弹簧钢的碳含量( 质量分数) 一般在o 6 2 0 9 0 乡f f j j f ”合余嘲簪镧暴存 碳素弹簧钢的基础上通过适当加入一种或几种合金元素来提高钢的力学性能，以 满足制造各种弹簧所需性能。合金弹簧钢的基本组成系列有：硅锰弹簧钢、硅铬 弹簧钢、铬锰弹簧钢、铬钒弹簧钢、钨铬钒弹簧钢等。在这些系列的基础上，有 时为了提高某些方面的性能而加入钼、钛、镍、铌或硼等合金元素。 昆明理工大学硕l 学位论文 第一章绪击 高强度化是材料研究和丌发的永恒主题，弹簧钢也不例外。汽车制造业和铁 路行业的快速发展要求弹簧的轻量化，因此就迫切需要提高弹簧的设计应力。伴 随着弹簧设计应力的提高，弹簧的疲劳断裂问题就更加突出。因此如何提高弹簧 在高应力下的疲劳性能就成为当今弹簧钢研究和开发的重要主题之【。 1 2 高强度弹簧钢的研究开发现状和发展趋势 1 2 1 我国弹簧钢的发展历史和现状 我国弹簧钢生产始于2 0 世纪5 0 年代初期【”，当时只是仿效前另、联的生产工艺 和标准牌号。生产的钢以硅锰系钢为主，品种主要为热轧棒材，包括圆钢和扁钢。 虽然当时的生产设备和技术落后，弹簧钢的质量不高，但仍有力地支持了国民经 济的发展。2 0 世纪5 0 年代中期，随着我国国民经济进一步发展，特别是汽车工业 的诞生，对弹簧钢的性能、质量和产量提出了更高的要求。至2 0 世纪6 0 年代， 我国弹簧钢生产有了很大的提高，并且在硅锰钢的基础上结合我国资源情况，开 发了一些新型弹簧钢。同时弹簧钢的生产工艺、钢材质量和检验水准也不断提高。 在当时条件下，基本上满足了国民经济发展的需要。进入2 0 世纪8 0 年代之后， 各个工业部门，特别是汽车工业的发展对弹簧钢的要求愈来愈高，例如发展新型 变截面弹簧用扁钢、大型和超大型弹簧用圆钢等，必须使用淬透性更好的铬锰系 和铬锰硼系钢等。为此我国也引进了这类国际通用牌号的弹簧钢，并纳入了标准。 在生产工艺和技术上都有了进一步的提高，基本上可以满足大多数部门的需要。 进入2 0 世纪9 0 年代至今，由于汽车和铁路行业的迅猛发展，对弹簧钢的需求量 愈来愈大，而且对弹簧钢的性能如强度、淬透性、塑韧性、表面质量和疲劳性能 提出了更高的要求。表卜l 为近几年我国合金弹簧钢的产量变化情况【4 l ，从中可以 看出我国合金弹簧钢的产量在短短的5 年时间内就从1 9 9 8 年的2 7 0 万吨激增至 2 0 0 3 年的7 0 0 万吨。根据有关方面预测，2 0 0 5 年我国合金弹簧钢需求量为约为 6 5 0 0 万吨，到2 0 1 0 年将增加到8 5 万吨，增长速度非常惊人。 现阶段我国合会弹簧钢的产量基本上能满足国民经济管霹的需萆有，如铜种 还有定量的出口，但是对些疲劳寿命要求较高的钢种还需从国夕卜迸u 。附m u 值较高的合金弹簧钢丝、钢带和银亮材、供轿车悬架弹簧用的5 0 c r v a 银亮材( 棒 材) 等高档次弹簧钢的生产量也较少。汽车和发动机行业是弹簧行业的最大市场， 占行业工业总产值的5 0 蟑j 。汽车行业尤其是轿车工业增长较快，轿车进入家庭的 趋势逐年加大，对高档次弹簧的需求量在增大。随着全球环保意识的增强。环保 2 昆明理工大学硕一l 学位论文 第一章绪言 汽车的研制和投入使用也已经拉开了帷幕。另外，国家对基础建设的投资力度逐 步加大，必将带动载重汽车和铁路行业的发展，为弹簧钢的发展提供了广阔的市 场。因此，需要进一步研发高性能弹簧钢钢种，以适应经济发展的需求。 表1 1 我国合金弹簧钢的近年产茸( 单位：万吨) 1 2 2 弹簧钢的发展趋势 目前弹簧钢钢种的发展趋势是向经济型和高性能化方向发展【“。新一代超高强 度弹簧钢具有以下特征：超高强度 u t s _ _ 1 9 6 0 m p a 、h r c _ 5 3 ；高的疲劳强度 和耐腐蚀疲劳性能：优良的抗弹减性能；良好的经济性。解决这个问题的主 要途径是开发新型钢种。思路有两个：一方面通过优化现有弹簧钢的合金元素含 量并添加微合金化元素；另一方面借鉴航空用超高强度钢的经验，将碳含量降低 并添加v 和n b 等元素【4 1 。 近年来，为适应我国运输事业的发展，对铁路车辆提出了“提速、重载、安 全”的要求，并要求延长铁路车辆用弹簧钢的疲劳寿命，提高弹簧的静饶度，确 保铁路运输的高效和安全。在今后几年，国家将投入2 0 多亿元对现有的铁路车辆 进行更新改造，弹簧钢需求量在5 万吨以上。新的铁路弹簧要求在其尺寸规格不 变的情况下，设计应力达到1 1 0 0 m p a ，疲劳寿命由原来的1 0 0 万次提高到2 0 0 万 次甚至3 0 0 万次以上，要求钢材必须有极佳的冶会质量( 良好的纯净度、均匀度和 稳定性以及表面质量) 和优良的力学性能。此外汽车行业的发展也同样要求减轻弹 簧的重量。因此弹簧轻量化是弹簧的发展趋势之一。 实验证明，弹簧的质量与其设计应力的平方成正比，减轻弹簧质量一个最有 效的措施便是提高弹簧的强度和设计应力。表1 2 给出了弹簧设计应力与弹簧质量 的关系【7 】。可见，在弹簧性能不变的前提下，随着设计应力的提高，弹簧直径和有 效卷数减少，弹簧可减重4 0 5 0 。因此伴随着汽车轻量化和铁路列车的高速重 载化，弹簧的设计应力不断提高。如轿车悬挂弹簧的设计应力在2 0 世纪7 0 年代 为9 0 0m p a ，8 0 年代提高到10 0 01 1 0 0m p a ，目前国外轿车螺旋悬挂弹簧已经开 始普遍采用设计应力为1 2 0 0m p a 级的新一代超高强度钢。这种弹簧将是今后轿车 用弹簧的主流。日本和韩国分别在1 9 9 1 年和1 9 9 6 年先后成功地开发出了设计应 昆明理丁大学硕士学位论文 第一章绪言 力名列世界第一的1 3 0 0 m p a 级的u h s 2 0 0 0 和n d 2 5 0 s ( r k 3 6 0 ) 等新型弹簧钢，但 由于成本较高，仅仅局限于在高级轿车上使用。 表1 2 弹簧设计鹿力与弹簧质量的关系 最大应力，m p a 参数 9 0 01 0 0 01 1 0 01 2 0 013 0 0 钢种 s u p 6s u p 7s r $ 6 0n 1 2 0 kn d 2 5 0 s 材料真径m m12 91 2 51 2 1 1 171 14 有效卷数卷 5 0 544 539 13 4 230 8 质量k g 2 9 52 5 22 151 8 31 6 l 质量比 1 0 08 5 47 2 96 2 05 4 6 为了提高弹簧的设计应力，需要提高弹簧的硬度( 强度) ，如为了获得1 2 0 0 m p a 级的设计应力，要求弹簧钢的硬度达到h r c 5 3 。但是对于现有的弹簧钢如高s i m n 系的s u p 7 ，在这么高的硬度水平下疲劳强度会急剧下降。如何解决高应力水平下 弹簧钢的疲劳破坏问题就成为当今弹簧钢钢种研究开发的主题之一。 实验证明，影响弹簧疲劳强度的主要因素是非金属夹杂物、硬度及表面缺陷。 因此，通常改善弹簧钢疲劳性能的有效手段是在提高硬度的同时减少易成为疲 劳源的非金属夹杂物、脱碳和表面缺陷等。有文献表明【8j ，高洁净度钢的发展越来 越顺应这方面的要求。日本在8 0 年代就开展了对弹簧钢中有害非金属夹杂物控制 工艺的研究，对弹簧钢的脱氧方式、氧含量问题及钢中夹杂物评定问题提出了一 个全新的概念。但国内在这方面还没有取得长足的进步。高洁净度弹簧钢与普通 弹簧钢相比，具有良好的疲劳性能。图1 1 是高洁净度弹簧钢与普通弹簧钢的疲劳 性能比较，从中可以看出，u l o 钢的疲劳性能处于数据带的上限，比普通脱气的 弹簧钢疲劳极限提高了约1 0 0m p a ，这是由于经u l o 处理，b 、c 型( 氧化铝和硅 酸盐类夹杂) 夹杂物减少的缘故。超洁净化u l o + u l t i n 钢的疲劳极限值显著提高， 和经v a r 处理钢的疲劳极限相同。疲劳破坏起源处的央杂物统计情况如表i 3 所 示。这就说明随着钢洁净度的提高，易成为疲劳破坏源的夹杂物不仅其尺寸减小 了，含量也大大减少了，因此疲劳极限值也相应地得到了大幅度的提高。与常规 冶炼钢相比，u l o 钢在很大的硬度范围内都具有良好的断裂韧性。在目前弹簧的 使用硬度值h r c 5 l 下，常规冶炼钢k i c 为1 6 6 6 m p a m “2 左右，而u l o 钢高达2 1 5 6 幸 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪言 m p a 1 1 3 “2 ，提高了近2 9 。在抗拉强度1 9 6 0m p a 附近，u l o 钢的k 1 c 比常规冶炼 钢高出3 5 。因此，生产高洁净度钢，减少或细化钢中的非金属夹杂物，从而提 高弹簧钢的疲劳性能是弹簧钢的又一发展趋势。 受 至 鹾 鳍 # r 麒 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 硬度，h v 图1 1高洁净弹簧钢的疲劳性能 表1 3 疲劳破坏起源处的非金属夹杂物 钢种 疲劳破坏源处的夹杂物类型及尺寸 普通弹簧钢 a 1 2 0 3 ( 6 0 m ) r h 脱气 a | 2 0 3 ( 3 5 l a i n ) 和少量大颗粒的t i n u l o a i z 0 3 ( 2 0 9 m ) 、t i n ( 1 0 p m ) u l o + u l t i n 夹杂物减少，尺寸减小，少量的t i n ( 1 0 9 m ) 刚詹 没有夹杂物 碳是钢中的主要强化元素，对弹簧钢性能的影响往往超过其它合金元素。弹 簧钢需要较高的强度和疲劳极限，一般在淬火+ 中温回火状态下使用。为保证弹簧 钢的强度，其中必须含有足够的碳。传统使用弹簧钢的碳含量多在0 5 以卜。但 是高碳弹簧钢经过多年的使用和研究，表明了碳含量高虽然对强度、硬度、弹性 等有利，但塑性、韧性较低，易脱碳，对弹减抗性不利，影响弹簧的疲劳寿命， 综合性能不够理想。如s i m n c r m o v 弹簧钢中的碳含量超过o 5 时【9 1 ，塑性和 韧性急剧下降，如图1 2 所示。 昆明理工大学硕i ：学位论文 第一章绪亩 对此，发展含碳量较低的弹簧钢引起了人们的兴趣。国内对低碳马氏体弹簧 钢进行了深入的研究，并已经开发出一系列的低碳弹簧钢如2 8 s i m n b 、3 5 s i m n b 、 2 6 s i 2 m n c r v 等，其碳含量在o 3 左右1 7 】。黎业生等曾经做过低碳马氏体弹簧钢 3 5 s i 2 c r v b 和传统弹簧钢6 0 s i 2 m n a 基本性能的对比研究工作【1 0 】，结论是 3 5 s i 2 c r v b 比6 0 s i 2 m n a 有更高的硬度、强度、塑韧性、弹减抗力，且淬透性和脱 碳敏感性、加工成型性均优于后者。当前纳入标准的弹簧钢中含碳较低的有日本 的s u p l o ( o 4 7 0 5 5 ) 、美国的6 15 0 ( o 4 8 0 5 3 ) 、德国的3 8 s i 7 ( 0 3 5 o 4 2 1 、 法国的4 5 c 4 ( 0 4 1 o 4 8 ) 等。含碳量基本上在o 3 5 0 5 5 之间。日本最近研究 开发的几种高强度弹簧钢，如u h s l 9 0 0 、u h s 2 0 0 0 、n d l 2 0 s 、n d 2 5 0 s 等，碳含 量均在0 4 左右。因此，可适当降低弹簧钢的碳含量，而碳含量降低所造成的强 度和硬度降低可通过添加或优化合金元素和降低回火温度来弥补。这样使弹簧钢 既具有足够的强度和硬度，又具有良好的塑韧性，这是提高弹簧钢疲劳性能的有 效方法。可见适当降低碳含量并优化钢种合金化元素是研究开发新一代超高强度 弹簧钢的重要途径。 5 0 4 0 3 0 v n ；2 0 1 0 0 0 40 50 6 c ( ) 5 0 4 0 3 0 h v 2 0 善 1 0 0 图1 2碳含量对钢的塑性和韧性的影响 随着弹簧钢进一步高强度化和长寿命化，特别是为了满足一些新的性能要求， 多元复杂的合金系弹簧钢应运而生。多元合金系弹簧钢充分利用合金元素的复合 合金化效果，特别是微量合金的独特作用，可以收到良好的效果，而且在经济上 也是十分合算的。许多多元合金弹簧铜的性能比原有弹簧钢明显提高，如六元系 的r k 3 6 0 ( s i m n c r m o v ) 各项性能优良，设计应力也超过了1 2 0 0 k m p a ，适宜制 造高应力弹簧。n d 2 5 0 s 钢的设计应力可达13 0 0 k m p a ，已经制成高应力弹簧，并 6 昆明理工火学烦。i ：学位论文 第一章绪占 用于汽车上。成分为s i m n n i c r a i n 的新钢种不但弹减性能好，而且耐久性好， 使用寿命长。s i m n - c r m o v 弹簧钢通过控制夹杂物的组成、数量和尺寸，具有高 的强度和韧性，因而其疲劳性能极好。 钒和铌是强碳化物形成元素l ，在钢中有沉淀强化和细晶强化的作用。近期 的研究进一步证实并发展了这一点。据研究，这两种元素生成细小弥散且硬度高 的m c 型碳化物，其强化效果超过m 2 c 和m 3 c 碳化物，且所需数量很少。在s a e 9 2 5 4 弹簧钢中加入0 2 1 v 可提高钢的塑性和疲劳极限。铌的元素与钒的作用相似。有 研究指出，同时加入钒和铌时因其复合作用的结果可以收到更好的效果。s a e 9 2 6 0 钢中同时加入少量钒( 0 0 9 o 2 9 ) 、铌( 0 0 4 0 2 2 ) ，钢的淬透性提高，奥氏 体晶粒细化，对疲劳性能特别有利。 因此采用符合多元合金系列以满足一些疲劳性能要求，这是今后弹簧钢的发 展方向之一。 在新钢种开发中，除了应重视耐疲劳性能，抗弹减性能和淬透性外，还应重 视耐腐蚀疲劳性能。由于高速公路网的开发，在寒冷地区经常采用撒盐的方法去 除公路上的积雪，这种含盐的雪水会喷溅到悬挂弹簧上，使弹簧好像在海水或海 水气雾中工作一样，弹簧表面会出现腐蚀坑及裂纹，在应力作用下会导致腐蚀疲 劳破坏。因而，悬挂弹簧的表面腐蚀问题应该引起足够重视，特别是需要提高弹 簧钢的耐腐蚀疲劳性能【8 】。 1 3 弹簧钢的疲劳性能 1 3 ，1 疲劳现象的定义和分类 实际生产实践过程中，许多机件都是在交变应力下工作的，如轴、齿轮、弹 簧等。它们工作时所承受的应力通常都低于材料的屈服强度。机件在这种变动负 荷下经过较长时间工作而发生断裂的现象叫做金属的疲劳。 根据机件所受应力的大小和应力交变频率的高低，会属的疲劳分为两类。其 一为应力较低，应力交变频率较高情况下产生的疲劳，即高周疲劳，其二为应力 高，应力交变频率低，断裂时应力交变周次少( 小于1 0 2 105 次) 的情况下产生的疲 劳，即低周疲劳。本论文主要研究高周疲劳。 1 3 2 疲劳现象的发展历史 金属的疲劳现象从古代就已经为人们所知，但直到18 世纪二十年代才开始认 真进行实验研究”。最初，为解决矿山卷扬机钢索经常在服役期间突然发生的断 7 昆明瑾t 夫学碳i 学位论立毙一章绪言 用于汽车上。成分为s i m n n i c r - a i n 的新钢种不但弹减性能好，而且耐久性好， 使用寿命长。s i m n c r m o v 弹簧钢通过控制夹杂物的组成、数量和尺寸具有高 的强度和韧性，因而其疲劳性能极好。 钒和铌是强碳化物形成元素j ，在钢中有沉淀强化和细晶强化的作用。近期 的研究进一步证实并发展了这点。据研究，这两种元素生成细小弥散且硬度高 的m c 型碳化物，其强化效果超过m 2 c 和m 3 c 碳化物且所需数量很少。在s a e 9 2 5 4 弹簧钢中加入o 2 l v 可提高钢的塑性和疲劳极限，锟的元素与钒的作用相似。有 研究指出。同时加入钒和铌时因其复合作用的结果可以收到更好的效果。s a e 9 2 6 0 钢中同时加入少量钒( 0 0 9 o 2 9 ) 、铌( 0 0 4 0 2 2 ) ，钢的淬透性提高，奥氏 体晶粒细化，对疲劳性能特别有利。 因此采用符合多元合金系列阻满足一些疲劳性能要求，这是今后弹簧钢的发 展方向之一。 在新钢种开发中，除r 应重视耐疲劳性能，抗弹减性能和淬透性外，还应重 视耐腐蚀疲劳性能。由于高速公路网的开发，在寒冷地区经常采用撒盐的方法去 除公路上的积雪，这种含盐的雪水会喷溅到悬挂弹簧上，使弹簧好像在海水或海 水气雾中工作一样，弹簧表面会出现腐蚀坑及裂纹，在应力作用下会导致腐蚀疲 劳破坏。因而，悬挂弹簧的表面腐蚀问题应该引起足够重视，特别是需要提高弹 簧钢的耐腐蚀疲劳性能口i 。 1 。3 弹簧钢的疲劳性能 13 1 疲劳现象的定义和分类 实际生产实践过程中，许多机件都是在交变应力下工作的，如轴、齿轮、弹 簧等。它们工作时所承受的应力通常都低于材料的屈服强度。机件在这种变动负 荷下经过较长时间t 作而发生断裂的现象做金属的疲劳。 根据机件所受应力的大小和应力交变频翠的高低，余属的疲劳分为两类。其 一为应力较低，应力交变频率较高情况下产生的疲劳，即高周疲劳，其二为应力 高应力交变频率低，断裂时应力交变周次少( 小于1 0 2 1d 次1 的情况下产生的疲 劳，即低周疲劳。本论文主要研究高周疲劳。 1 32 疲劳现象的发展历史 金属的疲劳现象从古代就已经为入们所知，但直到18 世纪二十年代才开始认 真进行实验研究【i ”。最初，为解决矿山卷扬机钢索经常在服役期削突然发生的断 真进行实验研究”“。最初，为解决矿山卷扬机钢索经常在服役期涮突然发生的断 7 昆明理t 大学硕十学位论文 第一章绪言 裂问题。以1 0 次分的频率进行了钢索的疲劳实验。以后，对铁道使用的车辆、车 轴、桥梁、钢轨等进行了大量实验研究。到18 5 3 年发表关于研究疲劳的论文时， 才开始使用“疲劳”这一术语。 韦勒在1 8 5 2 1 8 6 9 年以铁道车辆为对象进行了大量的疲劳实验研究。以7 2 次分的频率用小型试样进行旋转弯曲疲劳实验，从而发明了旋转弯曲疲劳实验机。 韦勒对疲劳现象的研究最卓越的功绩之一是他指出了疲劳极限的存在，在疲劳极 限以下，钢铁材料如经受1 0 7 循环而不破断，则经受无限多次循环也不会破断；并 建议将疲劳实验结果绘成应力与循环周次关系的s 曲线。至此，人们开始大量 地对疲劳现象进行研究。 1 3 3 疲劳破坏机理及疲劳裂纹扩展规律 1 3 3 1 疲劳裂纹的产生 疲劳总寿命常被定义为萌生裂纹的循环次数与裂纹扩展到某一最后尺寸的循 环数之和。在已经含有裂纹的构件中，裂纹扩展将在疲劳总寿命中起重要的作用。 而对于高周疲劳，裂纹的萌生将主要决定着总疲劳寿命。根据统计【1 ，在一般疲 劳条件下( n j = 1 0 6 周次左右) ，裂纹的形核期约占疲劳总寿命的2 0 。当非金属夹 杂物比较粗大，或局部地区域应力集中程度较高时，形核期可减小到5 左右。对 于n i 1 07 周的高周疲劳，形核期所占的比例更高，在某些情况下可高达9 5 以上。 本论文所研究钢种的微观组织为马氏体，因此主要探讨马氏体钢的疲劳裂纹 形核和扩展过程。 强度和硬度较低的钢疲劳裂纹大都在基体中形核如原奥氏体晶界、马氏体板 条晶界或板条晶一片状晶的交界、马氏体板条束交界、马氏体晶区交界等。强度和 硬度较高的钢主要在非金属夹杂物处形核。高强度钢的裂纹形核地点一般均在非 金属夹杂物处。形核以夹杂物和基体之问的剥离机构为主，但夹杂物本身开裂也 是疲劳裂纹形核的原因之一。但是高强度钢在高温回火状态下疲劳裂纹的形核过 程与中低碳钢相似，钢的强度水平不高时，疲劳裂纹主要还是在原奥氏体晶界或 晶内形核【1 3 j 。 1 ，3 3 2 疲劳裂纹的扩展 疲劳裂纹扩展可分为两个阶段，见图1 3 1 j4 1 。第一阶段通常是从会属表面上的 驻留滑移带、挤入沟或非金属夹杂物等处开始，沿最大切应力方向( 和主应力方向 近似成4 5 0 ) 的晶面向内扩展，由于各晶粒的位向不同以及晶界的阻碍作用，随着裂 8 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪言 纹向内扩展，裂纹的方向逐渐转向和主应力垂直。这一阶段的扩展速率很慢，每 一应力循环大约只有a 数量级，扩展的深度约有几个晶粒。如果没有应力集中， 则不出现第一阶段，而直接进入第二阶段。第二阶段裂纹扩展较快，每一应力循 环大约为微米数量级，且裂纹扩展的途径是穿晶的。在这个阶段有时会看到疲劳 辉纹。 k e 懒 压 、v l 第鼢段第1 1 阶段 图1 3 疲劳裂纹扩展的两个阶段 1 3 3 3 疲劳裂纹扩展速率 疲劳裂纹扩展速率根据疲劳裂纹扩展的快慢可分三个阶段。如图1 4 所示【1 4 】。 i 区：这一阶段得直线很陡，将直线外延，达到相当于d a d n = 1 0 一1 0 - 7 m m 周所对应得世值，记为k 。人们称之为应力场强度因子范围门槛值，它表示 在这样得k 下，裂纹扩展得很慢，实际上就认为它不扩展，故彭。是疲劳裂 纹不扩展的最大值( 临界值) 。足低于此值，疲劳裂纹便不会发生扩展。k 。值 一般很小，通常只有材料断裂韧性的5 1 0 。它是一个很重要的参数，对于一些 要求无限寿命的绝对安全可靠的零件，就要使它们工作的世值低于世。 i i ：这一区域的关系可用1 9 6 3 年p a r is 和e r d o g a n 提出的公式来表达： 熹= c ( 斌) ”( 1 一1 ) d 7 式中f 和埘可通过实验来确定。这一公式表明，疲劳裂纹扩展速率主要取决 于裂纹尖端应力场强度因子范围k 。因此在实验中只要测出常数f 和i f 值，便掌 0 昆明理工大学硕 学位论文 第一章绪言 握了这种材料的疲劳裂纹扩展速率，由此便可根据下式估算零件的疲劳寿命： n f 2 i d n = 。赤。， 式中a n 为初始裂纹长度。许多材料的册值在2 7 之间，多数在2 4 之间变 化。多数实验指出，p a rjs 公式中的c 和历值对于金属的显微组织不敏感，不同热 处理组织的金属，它们的c 和, 7 变化并不显著。但金属的显微组织对于材料的无 裂纹寿命以及疲劳总寿命还是有相当大的影响的。 i i i ：这一区域式裂纹的快速扩展阶段。当世值达到材料的断裂韧性世。时， 试样发生断裂。 6 丘 图1 4疲劳裂纹扩展速率曲线 1 4 弹簧钢的疲劳行为研究概况 实际生产过程中，弹簧是在一定条件下使用一段时间后失效的。造成弹簧失 效的因素有疲劳、腐蚀和弹性减退。由于弹簧通常承受交变载荷作用，因此，疲 劳是弹簧破坏的主要原因。疲劳断裂与静负荷条件下的断裂不同，无论在静负荷 下显示脆性或韧性的材料，在疲劳断裂时都不产生明显的塑性变形。断裂是突然 发生的，因此具有很大的危险性，常常可以造成很危险的事故。据统计，损坏的 零件中，一大部分是由金属疲劳造成的，对于经常在交变应力条件下工作的弹簧 零件来说，由于疲劳而发生的事故，更是不计其数。弹簧钢材和弹簧不仅在使用 中，而且还可能在弹簧钢材生产或制造中断裂。例如”j ，首钢特殊钢公司曾在生 产中碳铬钒冷拔弹簧钢丝时，淬火回火后盘卷过程中有时发生突然脆性断裂，情 1 0 口a)，a口县、，案 昆明理工大学硕j ：学位论文 第一章绪言 况严重时，甚至整盘钢丝发生多处崩断。研究结果表明，产生断裂的主要原因是 由于钢丝表面缺陷、钢中非金属夹杂物和组织不良引起的。因此，研究弹簧疲劳 断裂的原因，寻找提高材料疲劳抗力的途径以防止疲劳断裂事故的发生，对于发 展国民经济具有重大的实际意义。 当机械结构用材料在h b 4 0 0 的硬度值内，硬度和疲劳极限之间呈良好的线性 关系】，超过这一硬度值之后，原来不成问题的位于表面或次表面的小型夹杂物、 缺陷和微小裂纹将成为疲劳源，降低材料的疲劳极限。弹簧钢的这种疲劳行为表 明其对微小缺陷和非金属夹杂物十分敏感1 8 】。有关文献表明，汽车的气门弹簧，因 非金属夹杂物引起断裂的占4 0 ，因钢丝表面缺陷引起断裂的占3 0 。 弹簧钢通常在h v 4 1 5 5 3 0 硬度范围内使用。今后汽车弹簧高应力化发展，弹 簧钢将在更高硬度水平下使用，因此，表面状态和非金属夹杂物对高强度弹簧钢 疲劳性能的影响将更加突出 1 6 】。 1 4 1 非金属夹杂物对弹簧钢疲劳性能的影晌 1 4 1 1 非金属夹杂物的分类 钢中的非金属夹杂物包括外来夹杂和内生夹杂l 】。内生夹杂物是钢液脱氧及 钢水凝固过程中析出的各种氧化物、硫化物和氮化物等。在传统的夹杂物分类方 法中，按化学成分不同可分为五类：简单氧化物夹杂；尖晶石型复合氧化物 夹杂和钙的铝酸盐：硅酸盐和硅酸盐玻璃；硫化物；氮化物。这五类夹杂 物中，前三类属于氧化物系夹杂物。 钢经过变形后，钢中不同类型的夹杂物具有不同的形变程度。据此，又可把 夹杂物分为以下四类。第一类为脆性夹杂物。一般指那些不具有塑性的氧化物和 氧化物玻璃。当钢进行热加工变形时，这类央杂物的形状和尺寸不发生变化，但 分布有变化。氧化物夹杂在钢锭中成群出现，钢经变形后，氧化物颗粒沿钢延伸 方向排成串，呈点链状。第二类夹杂物为塑性夹杂物。这类夹杂物在钢锭中或在 铸钢中呈球形，钢经变形后夹杂物保持球形不变。第四类是半塑性夹杂物。指各 种复相的铝硅酸盐夹杂。钢经变形后，塑性的夹杂物相多少随钢变形延伸，而脆 性央杂物相不变形，只是或多或少地拉开了央杂物之间的距离。 钢中非金属夹杂物对疲劳性能的影响一方面取决于夹杂物的类型、数量、尺 寸、形状和分布；另一方面受钢基体组织和性质制约，与基体联结差的脆性夹杂 物和球状不变形夹杂物的危害最大。而且钢的强度水平愈高，夹杂物对疲劳极限 的有害影响愈显著。 i j 昆明理工大学硕十i 学位论文 第一章绪言 1 4 1 2 非金属夹杂物对弹簧钢疲劳性能的影响 1 4 1 2 1 非金属夹杂物物理性质的影响 研究认为 18 1 , 变形性指数1 ，( 钢变形时，央杂物的真正伸长与钢的真正伸长之 比) 低的夹杂物诱发钢中的疲劳裂纹有两种可能，一种是认为夹杂不能传递钢基体 中存在的应力，在疲劳条件下，夹杂物对裂纹的形成有直接成核的作用。另一种 认为夹杂物的变形也有间接的影响。在钢的冷、热加工过程中，变形指数低的夹 杂物，可以在钢一夹杂物界面上引起微裂纹。所以，早就存在于钢中的那些显微 裂纹有可能以后成为钢疲劳破坏的起源。 s r u d i k 指出7 = 0 5 1 0 时，在钢与夹杂物界面上很少由于形变产生裂纹； 7 = 0 ，0 3 o 5 时，经常产生带有锥形间隙的鱼尾形裂纹；7 = 0 时，锥形间隙与热撕 裂是常见的d 9 1o 所有的实验结果均表明，比较脆的、且在加工过程中保持原状( y = 0 ) 的夹杂物，要比可以塑性变形( y o ) 的夹杂物对疲劳破坏性能更为有害。7 = 1 的夹杂 物在钢变形的各个阶段都能随之起变形，因此对钢的疲劳性能危害性最小。 硫化物夹杂在所有的温度条件下，都有高的变形指数。当钢受到载荷时，这 种夹杂物与钢基体之间的界面上并没有裂纹发展。这是因为该夹杂物在钢加工的 各个阶段都参与了钢的变形，并随着周围的基体以同样的方式改变着它们自身的 形状。夹杂物和基体之间界面上的结合力不会被破坏，也没有产生空洞的倾向。 对于氧化物而言，对钢疲劳性能最有害的是那些球状的、7 = 0 的钙铝酸盐夹杂物和 a 1 2 0 3 夹杂物，它们在钢变形时保持原形状不变。 理论计算表明，降低夹杂物的熔点不仅可以有效地增加其塑性变形能力，细 化夹杂物，而且还可以消除应力集中。因此在炉外精炼时，采用合适的脱氧方法 和合成渣对a 1 2 0 3 、s i 0 2 等夹杂物进行变形处理，使其形成低熔点的夹杂物，可以 显著改善弹簧钢的疲劳性能【1 6 1 20 1 。 1 4 1 2 2 非金属夹杂物大小和形状的影响 d u c k w o r t h 等提出了影响疲劳