1973II专题培训班超高周疲劳20090611

1、中国金属学会专题培训班中国金属学会专题培训班提高冶金质量和钢材使用寿命的新品种开发提高冶金质量和钢材使用寿命的新品种开发钢铁材料的超长疲劳寿命化技术钢铁材料的超长疲劳寿命化技术2009年年6月月22-25日日 北京北京惠卫军惠卫军 , 北京学院南路76号钢铁研究总院钢铁研究总院先进钢铁材料技术国家工程研究中心先进钢铁材料技术国家工程研究中心Strength/MPaProperty12001500Delayed FractureStrengthening & Toughening高强度化面临的挑战高强度化面临的挑战2000800高强度化面临的挑战之一高强度化面临的挑战之一 延迟断裂延迟断

2、裂pRef. 松山晋作：松山晋作：遅断裂遅断裂Ref. CISRI973 期期疲劳破坏疲劳破坏&延迟断裂引起灾难性后果延迟断裂引起灾难性后果p人员和财产的损失相当惊人人员和财产的损失相当惊人!p美国和欧盟的近期调查表明美国和欧盟的近期调查表明,每年因破坏事故所引每年因破坏事故所引起的经济损失占当年起的经济损失占当年GDP的的4%!l欧盟欧盟 $2000亿亿/年年l美国美国 $1190亿亿/年年l中国中国 ?p问问 题题: : 随着现代科学技术的高度发展随着现代科学技术的高度发展, ,为何由疲劳和延迟断裂为何由疲劳和延迟断裂所引起的事故仍然如此频繁所引起的事故仍然如此频繁? ?R O R

3、itchie. Report to the Japan Society for the Promotion of Science, 2001讲座提纲讲座提纲l疲劳破坏现象简介疲劳破坏现象简介l超高周疲劳破坏基本特征及其试验方法超高周疲劳破坏基本特征及其试验方法l超高周疲劳破坏的主要影响因素超高周疲劳破坏的主要影响因素非金属夹杂物的影响非金属夹杂物的影响环境因素的影响环境因素的影响微观组织的影响微观组织的影响l超长疲劳寿命高强度钢的开发应用超长疲劳寿命高强度钢的开发应用非调质钢非调质钢高强度螺栓钢高强度螺栓钢高强度弹簧钢高强度弹簧钢疲劳破坏现象疲劳破坏现象概念概念l疲劳疲劳FatigueFati

4、grel常指人们的身心劳累；常指人们的身心劳累；l在工程词汇中用以表达材料在循环载荷作用下的损在工程词汇中用以表达材料在循环载荷作用下的损伤和破坏。伤和破坏。lISO(1964年年)“)“金属疲劳试验的一般原理金属疲劳试验的一般原理”：金属金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化称作疲劳；虽然在一般情况下，这个术语特指那些称作疲劳；虽然在一般情况下，这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化。导致开裂或破坏的性能变化。疲劳破坏现象疲劳破坏现象危害性危害性l磨损、腐蚀和断裂是机械零件和工磨损、腐蚀和断裂是机械零件和工程构件的三种主要破坏形式，其中

5、程构件的三种主要破坏形式，其中尤以断裂更受重视。尤以断裂更受重视。l飞机、船舶、汽车、各种工程机械飞机、船舶、汽车、各种工程机械等的主要零件和构件，大多在变动等的主要零件和构件，大多在变动载荷下工作，疲劳破坏是其主要的载荷下工作，疲劳破坏是其主要的失效形式。失效形式。l据统计，疲劳破坏在整个失效件中据统计，疲劳破坏在整个失效件中约占约占5090 %左右，危害性极大。左右，危害性极大。疲劳破坏现象疲劳破坏现象实例实例l世界上第一架民用喷气飞机彗星号的一系列失事世界上第一架民用喷气飞机彗星号的一系列失事l1953.5.2；1954.1.10；1954.4.8l每次飞行中由于座舱反复增压和减压，使机

6、身每次飞行中由于座舱反复增压和减压，使机身的金属蒙皮承受了疲劳应力的循环作用；的金属蒙皮承受了疲劳应力的循环作用；l旅客座舱窗户附近的铆钉孔的应力集中促进了旅客座舱窗户附近的铆钉孔的应力集中促进了疲劳开裂。疲劳开裂。疲劳破坏现象疲劳破坏现象类别类别l疲劳破坏由于受外加应力、应变的波动变化疲劳破坏由于受外加应力、应变的波动变化和周围环境的影响，表现为不同的形式：和周围环境的影响，表现为不同的形式：l按载荷工况和工作环境：机械按载荷工况和工作环境：机械(常规常规)疲劳；蠕变疲疲劳；蠕变疲劳；热机械疲劳；腐蚀疲劳；滑动劳；热机械疲劳；腐蚀疲劳；滑动/滚动接触疲劳；滚动接触疲劳；微动疲劳；冲击疲劳；微

7、动疲劳；冲击疲劳；l按研究对象：材料疲劳；结构疲劳按研究对象：材料疲劳；结构疲劳l按循环周次：低周疲劳；高周疲劳；超高周疲劳按循环周次：低周疲劳；高周疲劳；超高周疲劳105106Stress AmplitudeSurface fatigue limitInternal fatigue limitCycles to failurep低周疲劳：低周疲劳：应力水平高应力水平高于材料的弹性极限，应于材料的弹性极限，应力和应变曲线呈非线性力和应变曲线呈非线性关系；应变幅控制。关系；应变幅控制。 p高周疲劳：高周疲劳：加载应力相加载应力相对较低，试样处于弹性对较低，试样处于弹性范围，应力和应变呈正范围，应

8、力和应变呈正比关系；应力幅控制。比关系；应力幅控制。p超高周疲劳：超高周疲劳：加载应力加载应力幅可能远低于传统的疲幅可能远低于传统的疲劳极限；断裂机理不尽劳极限；断裂机理不尽相同。相同。 107108109低周疲劳低周疲劳高周疲劳高周疲劳超高周疲劳超高周疲劳疲劳破坏现象疲劳破坏现象类别类别讲座提纲讲座提纲l疲劳破坏现象简介疲劳破坏现象简介l超高周疲劳破坏基本特征及其试验方法超高周疲劳破坏基本特征及其试验方法l超高周疲劳破坏的主要影响因素超高周疲劳破坏的主要影响因素非金属夹杂物的影响非金属夹杂物的影响环境因素的影响环境因素的影响微观组织的影响微观组织的影响l超长疲劳寿命高强度钢的开发应用超长疲劳

9、寿命高强度钢的开发应用非调质钢非调质钢高强度螺栓钢高强度螺栓钢高强度弹簧钢高强度弹簧钢传统疲劳数据往往局限于传统疲劳数据往往局限于107 周次周次许多部件如发动机部件、汽车承力运动部件、铁路许多部件如发动机部件、汽车承力运动部件、铁路车轮和轨道、飞机、海岸结构、桥梁、特殊医疗设车轮和轨道、飞机、海岸结构、桥梁、特殊医疗设备等，要求承受备等，要求承受1081012周次的循环载荷而不发生周次的循环载荷而不发生断裂断裂部部 件件名名 称称涡轮发涡轮发电机电机新干线新干线车轮车轮轿车轿车车轮车轮蒸汽涡蒸汽涡轮叶片轮叶片生物医学用生物医学用不锈钢管不锈钢管海岸海岸结构结构直升机直升机齿轮齿轮服役期服役期

10、/条件条件20年年10年年30万公里万公里5,000h寿命要求寿命要求/周次周次101010931081012510101010109超高周疲劳破坏超高周疲劳破坏基本特征基本特征105106Stress AmplitudeCycles to failurep通常认为，材料在通常认为，材料在107周次周次附近往往存在一疲劳极限，附近往往存在一疲劳极限，应力幅低于该疲劳极限，应力幅低于该疲劳极限，材料将不发生疲劳破坏，材料将不发生疲劳破坏，即材料有无限寿命。即材料有无限寿命。p近来研究结果表明，材料近来研究结果表明，材料在大于在大于107周次内仍发生疲周次内仍发生疲劳断裂，并且应力幅可能劳断裂，并

11、且应力幅可能远低于传统疲劳极限。远低于传统疲劳极限。p超高周疲劳断裂机理与传统超高周疲劳断裂机理与传统疲劳破坏的机理有所不同，疲劳破坏的机理有所不同，在超长寿命区，材料的疲劳在超长寿命区，材料的疲劳断裂主要起源于材料内部。断裂主要起源于材料内部。107108109内部疲劳内部疲劳( (微裂纹萌生、扩展微裂纹萌生、扩展) )表面疲劳表面疲劳( (微裂纹扩展微裂纹扩展) )表面疲劳强度表面疲劳强度内部疲劳强度内部疲劳强度超高周疲劳破坏超高周疲劳破坏疲劳断口典型特征疲劳断口典型特征表面起裂表面起裂夹杂物起裂夹杂物起裂夹杂物起裂夹杂物起裂内部基体起裂内部基体起裂裂纹源裂纹源裂纹扩展裂纹扩展高周疲劳高周

12、疲劳超高周疲劳超高周疲劳“鱼眼鱼眼”型疲劳断口示意图型疲劳断口示意图 d inc试样表面试样表面Fish-eyeInclusionarea incGBFarea GBF24 m3.6 mGranular bright facet (GBF)超高周疲劳条件下，超高周疲劳条件下，疲劳寿命大部分消耗疲劳寿命大部分消耗在断裂源附近的在断裂源附近的GBF区域区域(或或ODA)疲劳断口典型特征疲劳断口典型特征pODA(Optically Dark Area)p107 cyclesp疲劳性能恶化疲劳性能恶化Ref. Murakami Y. Metal Fatigue:Effect of Small Defe

13、cts and Nonmetallic Inclusions, Elsevier, 2002九州大学九州大学 村上敬宜村上敬宜 首次发现首次发现ODAODA现象现象超高周疲劳破坏超高周疲劳破坏基本特征基本特征uMurakami: ODAuShiozawa: GBF (Granular Bright Facet)uSakai: FGA (Fine Granular Area)uTanaka: FCT (FaCeT)uOchi: RSA (Rough Surface Area)ODA现象现象InclusionMatrix低应力、长寿命区低应力、长寿命区(通常通常106 cyc)超高周疲劳超高周疲劳

14、-裂纹起裂裂纹起裂lFatigue life： Nf=Ni+NpMicrocrack growth aiMacrocrack growth acCrack nucleation anNiNpFatigue fractureFinal unstable fracture对于超高周疲劳断裂，裂纹起裂寿命往往占整个寿命的绝大对于超高周疲劳断裂，裂纹起裂寿命往往占整个寿命的绝大部分，甚至高达部分，甚至高达90 %以上。以上。起裂起裂: : 1)表面表面 2)内部缺陷内部缺陷(夹杂物夹杂物/组织组织)Ni/Nf=?法国法国CNAM Bathias C, VHCF会议创立者会议创立者奥地利奥地利Stanz

15、1-Tschegg(VHCF3 主席主席)，铝合金和钛合金铝合金和钛合金日本日本九州大学九州大学 村上敬宜，疲劳强度预测，村上敬宜，疲劳强度预测，ODA日本日本NIMS 松冈三郎，松冈三郎，M-ausforming日本立命馆大学日本立命馆大学 酒井达雄酒井达雄(VHCF3 主席主席)，FGA美国、德国、英国、瑞典等美国、德国、英国、瑞典等 中国四川大学，西南交大，西工大，清华，中科院力学所，中国四川大学，西南交大，西工大，清华，中科院力学所，金属所，钢研总院金属所，钢研总院The First National Symposium on Super Long Life Fatigue，Cheng

16、du,August,2005北航、江苏大学、内蒙古大学北航、江苏大学、内蒙古大学国际上相关研究国际上相关研究Conference NameTime & SiteOrganizer1Fatigue Life in the Gigacycle RegimeJune 29-July 1, 1998, ParisProf C Bathias2Fatigue in the very High Cycle Regime July 2-4, 2001, ViennaProfs S E Stanzle-Tschegg and H Mayer3Very High Cycle Fatigue (VHCF-

17、3)Sept 16-19, 2004, Kyoto/KusatsuProfs T Sakai & Y Ochi4VHCF-4August 19-22, 2007, MichiganDr. J E Alison, Prof J W Jones, Dr J M larsen, Prof R O Ritchie超高周疲劳国际会议超高周疲劳国际会议(VHCF)From the second conference, it was agreed that the conference would be held every three years under the name “Very High

18、 Cycle Fatigue”lBathias等等从从1990年代开始对多年代开始对多种金属包括种金属包括钛合金钛合金(环境温度效环境温度效应、裂纹扩展行为和组织影响应、裂纹扩展行为和组织影响)、镍基合金镍基合金(高温裂纹的萌生与扩高温裂纹的萌生与扩展行为展行为)和和各种钢铁材料各种钢铁材料(球墨铸球墨铸铁、低碳钢、弹簧钢、轴承钢、铁、低碳钢、弹簧钢、轴承钢、轨道钢和不锈钢等轨道钢和不锈钢等)对寿命范围对寿命范围从从1091010 cyc的疲劳行为进行的疲劳行为进行了系统研究。了系统研究。l发现金属材料在十亿周应力循环发现金属材料在十亿周应力循环区不存在疲劳极限。区不存在疲劳极限。 国际上相关

19、研究国际上相关研究法国法国Si-Cr Spring Steel42CrMo4 and Cr-V Spring Steelu在在立命馆大学立命馆大学Sakai教授教授的组织下，日本材料强度概率模型会的研究者使的组织下，日本材料强度概率模型会的研究者使用相同形状的试样和为此项研究而开发的用相同形状的试样和为此项研究而开发的50 Hz四连式旋转弯曲疲劳试验四连式旋转弯曲疲劳试验机，开始对高碳铬轴承钢机，开始对高碳铬轴承钢(SUJ2)、Ni-Cr-Mo(SNCM439)和和Cr-Mo(SCM435)等高强度钢的超高周疲劳行为进行有组织的合作研究，掀等高强度钢的超高周疲劳行为进行有组织的合作研究，掀起了

20、高强度钢超高周疲劳行为研究的热潮。起了高强度钢超高周疲劳行为研究的热潮。国际上相关研究日本国际上相关研究日本SUJ2 SteelSNCM439 Steel疲劳试验设备疲劳试验设备超声波疲劳试验机超声波疲劳试验机 p实验频率：实验频率：20 kHzFrequency10610710810910101011100 Hz2.8 hr27.8hr11.6days116days3.2years32years20,000 Hz50s8.3min1.4hr14hr5.8days58days岛津岛津USF2000型超声波疲劳试验机系统型超声波疲劳试验机系统疲劳试验设备疲劳试验设备超声波疲劳试验机超声波疲劳试验

21、机 l超声波疲劳是一种基于压电磁超声波疲劳是一种基于压电磁致伸缩原理的机械谐振实验方致伸缩原理的机械谐振实验方法：在试样中生成谐振波，形法：在试样中生成谐振波，形成循环应力成循环应力(应变应变)场，达到快场，达到快速疲劳循环实验的目的。速疲劳循环实验的目的。l由实验机主机由实验机主机(超声波发生器、超声波发生器、压电换能器、振幅放大器压电换能器、振幅放大器)、计、计算机控制测定系统、试样冷却算机控制测定系统、试样冷却装置装置(空气压缩机、干燥器空气压缩机、干燥器)等等三部分构成。三部分构成。l可采用附属专用软件完成试样可采用附属专用软件完成试样尺寸的计算、实验应力的设定尺寸的计算、实验应力的设

22、定和实验数据的采集等。和实验数据的采集等。p金属材料超高周金属材料超高周(1081010 周次周次)疲劳破坏行为疲劳破坏行为p超长寿命金属材料的研发超长寿命金属材料的研发p快速检测金属材料中的非快速检测金属材料中的非金属夹杂物和微小缺陷金属夹杂物和微小缺陷p试验频率与试样发热问题试验频率与试样发热问题p试验方法标准化问题试验方法标准化问题疲劳试验设备疲劳试验设备旋转弯曲疲劳试验机旋转弯曲疲劳试验机 旋转弯曲疲劳试验机旋转弯曲疲劳试验机l载荷比载荷比R=-1，控制参，控制参量为载荷；量为载荷；l用升降法求条件疲劳强用升降法求条件疲劳强度度(至少至少6对对)： piiiNRVm1)(1l鉴于旋弯疲

23、劳试验机简单、可靠性高，目前文献中鉴于旋弯疲劳试验机简单、可靠性高，目前文献中的疲劳性能数据大多基于这种试验方法。的疲劳性能数据大多基于这种试验方法。l日本材料强度概率模型会开发出日本材料强度概率模型会开发出50 Hz四连式旋转弯四连式旋转弯曲疲劳试验机。曲疲劳试验机。讲座提纲讲座提纲l疲劳破坏现象简介疲劳破坏现象简介l超高周疲劳破坏基本特征及其试验方法超高周疲劳破坏基本特征及其试验方法l超高周疲劳破坏的主要影响因素超高周疲劳破坏的主要影响因素非金属夹杂物的影响非金属夹杂物的影响环境因素的影响环境因素的影响微观组织的影响微观组织的影响l超长疲劳寿命高强度钢的开发应用超长疲劳寿命高强度钢的开发应

24、用非调质钢非调质钢高强度螺栓钢高强度螺栓钢高强度弹簧钢高强度弹簧钢各类夹杂物引起的疲劳断口形貌各类夹杂物引起的疲劳断口形貌疲劳源粗大夹杂物疲劳源粗大夹杂物夹杂物对疲劳性能影响夹杂物对疲劳性能影响S-N曲线形状曲线形状109No. of cycles to failureStress amplitude, MPa内部内部(夹杂物、基体夹杂物、基体)起裂起裂表面起裂表面起裂钢中夹杂物的含量增钢中夹杂物的含量增加，使钢的疲劳强度加，使钢的疲劳强度和可靠性大为降低。和可靠性大为降低。 n较系统地归纳、研究了夹杂物在高强度钢高周和较系统地归纳、研究了夹杂物在高强度钢高周和超高周疲劳断裂过程中的影响规律：

25、超高周疲劳断裂过程中的影响规律：l疲劳裂纹起裂疲劳裂纹起裂lGBF(ODA)区区疲劳寿命疲劳寿命疲劳强度疲劳强度疲劳寿命的可靠性疲劳寿命的可靠性n用断裂力学的方法分析了缺陷用断裂力学的方法分析了缺陷(夹杂物夹杂物)对疲劳断对疲劳断裂的影响规律：裂的影响规律：l疲劳寿命与夹杂物尺寸的关系疲劳寿命与夹杂物尺寸的关系lGBF区尺寸的计算区尺寸的计算lKGBF计算及其与计算及其与Kth的关系的关系夹杂物的影响夹杂物的影响总总 结结n夹杂物对高强度钢超高周疲劳夹杂物对高强度钢超高周疲劳S-N曲线现状的影曲线现状的影响规律：响规律：l夹杂物细化夹杂物细化疲劳疲劳S-N曲线形状从连续下降型向台阶曲线形状从连

26、续下降型向台阶型、极限型转变型、极限型转变l冶金工艺的改变对高强度钢疲劳性能的影响：冶金工艺的改变对高强度钢疲劳性能的影响：l电炉电炉-LF-VDl转炉转炉-LF-RHn观念的转变：从传统的着眼于控制洁净度转向控观念的转变：从传统的着眼于控制洁净度转向控制夹杂物制夹杂物l氧含量与洁净度的影响氧含量与洁净度的影响l特别应重视对粗大夹杂物特别应重视对粗大夹杂物( (冶炼、浇铸冶炼、浇铸) )的控制的控制l应注意研究经济洁净度应注意研究经济洁净度( (与其应用强度水平有关与其应用强度水平有关) )夹杂物的影响夹杂物的影响总结总结1.夹杂物的影响夹杂物的影响疲劳裂纹启裂疲劳裂纹启裂71%6%23%夹杂

27、物内部基体表面39%0%61%夹杂物内部基体表面旋弯疲劳旋弯疲劳(107 cyc)拉压疲劳拉压疲劳(109 cyc)对于超高周疲劳对于超高周疲劳(107 cyc)，内部缺陷特别是夹杂物，内部缺陷特别是夹杂物引起的疲劳断裂显著增加引起的疲劳断裂显著增加对夹杂物更敏感对夹杂物更敏感商业弹簧钢各商业弹簧钢各100个断口的统计结果个断口的统计结果6507007508008509009501.E+041.E+051.E+061.E+071.E+08Number of cycles to failure,NfStress amplitude,MPa in=44.4m in=28.6m60Si2CrVA,

28、Rotating-bending5506006507007508008509001.E+041.E+051.E+061.E+071.E+081.E+091.E+10Number of cycles to failure,NfStress amplitude,MPa in=35.6m in=4.0m50CrV4 Steel, Ultra-sonic1.夹杂物的影响夹杂物的影响疲劳寿命疲劳寿命l 夹杂物细化夹杂物细化疲劳寿命显著提高疲劳寿命显著提高旋弯疲劳：旋弯疲劳：in=44.4m28.6m, 疲疲劳寿命提高劳寿命提高1个个数量级数量级拉压疲劳：拉压疲劳：in=35.6m4.0m, 疲疲劳寿命提高劳寿命提高3个个数量级数量级旋弯疲劳断口裂纹源分析结果旋弯疲劳断口裂纹源分析结果lKin与疲劳寿命与疲劳寿命Nf大体呈线性关系大体呈线性关系ininareaCKl在一定的应力下，在一定的应力下，钢中夹杂物尺寸与钢中夹杂物尺寸与Nf具有良好的相关性具有良好的相关性60Si2CrVA钢，钢，1900 MPa级级1.夹杂物的影响夹杂物的影响疲劳寿命疲劳寿命104105106107108109101012345678910D-60H-60A-60Kin，MPam1/2Number of cyc