GCr15鋼內部裂紋萌生和擴展機理的研究.pdf

1、隨著機械設備向輕量化發(fā)展的需求，高強度鋼被大量地用于機械設備和工程結構。過去疲勞研究者一直認為，鋼鐵材料僅萌生表面裂紋，隨著疲勞載荷的降低，通常在107周次以前，表面裂紋出現(xiàn)閉口想象，因此材料出現(xiàn)疲勞極限。盡管很多的機械設備和工程結構在服役期間將承受107甚至1010周次以上的載荷，由于在107周次以前，鋼鐵材料具有疲勞極限，因此，疲勞試驗和研究僅考慮到107周次的載荷作用即可滿足設計要求?？墒亲罱畮啄甑难芯繀s發(fā)現(xiàn)高強度鋼在承受低于疲

2、勞極限的交變載荷作用，當加載超過107周次的超長壽命區(qū)域(Giga-fatigue regime)，發(fā)生由材料內部夾雜物等缺陷引起的疲勞破壞。本課題的研究目標就是揭示高強度鋼內部裂紋萌生和擴展行為。 本研究以高碳鉻軸承鋼GCr15為研究對象，用常規(guī)旋轉彎曲試驗機和超聲疲勞試驗機下進行的107～l010周次的超長壽命疲勞試驗得到的斷口，進行了GCrl5鋼內部裂紋萌生和擴展特性的仿真分析，并綜合多種分析手段進行了內部裂紋形成機理的分

3、析和研究，同時定量的分析了內部夾雜尺寸對疲勞壽命的影響，具體內容如下： 使用掃描電子顯微鏡對試驗所得的疲勞斷口進行了詳細觀察并發(fā)現(xiàn)，兩種試驗系統(tǒng)下的破壞機制均可以分為：高應力、短壽命下的表面裂紋萌生機制和低應力、長壽命下的內部裂紋萌生機制。 用FRASTA法進行了內部裂紋萌生和擴展特性的仿真分析，結果表明：在兩種加載系統(tǒng)下得到的超長壽命區(qū)帶有GBF的斷口的內部疲勞破壞的過程是：在夾雜周圍首先產生微小的不連續(xù)的裂紋，隨著裂

4、紋的成長，裂紋逐漸貫通形成GBF區(qū)域，然后發(fā)生連續(xù)擴展。另一方面，在短壽命區(qū)沒有GBF區(qū)的斷口的內部疲勞破壞的過程是：首先從夾雜的邊緣出現(xiàn)裂紋，然后裂紋發(fā)生連續(xù)擴展。 對GBF區(qū)域的詳細觀察和分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域具有：大的粗糙度，區(qū)域內凸起部分的面積大小和組織中的碳化物面積大小基本相同，區(qū)域內具有高濃度的碳元素分布等特征，綜合分析結果顯示GBF區(qū)域是材料內部夾雜物周圍的球形碳化物從組織中離散地剝離后出現(xiàn)的微小裂紋成長形成的。