GCr15鋼內(nèi)部裂紋萌生和擴(kuò)展機(jī)理的研究.pdf

1、隨著機(jī)械設(shè)備向輕量化發(fā)展的需求，高強(qiáng)度鋼被大量地用于機(jī)械設(shè)備和工程結(jié)構(gòu)。過去疲勞研究者一直認(rèn)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(jī)械設(shè)備和工程結(jié)構(gòu)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(shè)計要求?？墒亲罱畮啄甑难芯繀s發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度鋼在承受低于疲

2、勞極限的交變載荷作用，當(dāng)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(nèi)部夾雜物等缺陷引起的疲勞破壞。本課題的研究目標(biāo)就是揭示高強(qiáng)度鋼內(nèi)部裂紋萌生和擴(kuò)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(zhuǎn)彎曲試驗機(jī)和超聲疲勞試驗機(jī)下進(jìn)行的107～l010周次的超長壽命疲勞試驗得到的斷口，進(jìn)行了GCrl5鋼內(nèi)部裂紋萌生和擴(kuò)展特性的仿真分析，并綜合多種分析手段進(jìn)行了內(nèi)部裂紋形成機(jī)理的分

3、析和研究，同時定量的分析了內(nèi)部夾雜尺寸對疲勞壽命的影響，具體內(nèi)容如下： 使用掃描電子顯微鏡對試驗所得的疲勞斷口進(jìn)行了詳細(xì)觀察并發(fā)現(xiàn)，兩種試驗系統(tǒng)下的破壞機(jī)制均可以分為：高應(yīng)力、短壽命下的表面裂紋萌生機(jī)制和低應(yīng)力、長壽命下的內(nèi)部裂紋萌生機(jī)制。 用FRASTA法進(jìn)行了內(nèi)部裂紋萌生和擴(kuò)展特性的仿真分析，結(jié)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(nèi)部疲勞破壞的過程是：在夾雜周圍首先產(chǎn)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(kuò)展。另一方面，在短壽命區(qū)沒有GBF區(qū)的斷口的內(nèi)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(kuò)展。 對GBF區(qū)域的詳細(xì)觀察和分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域具有：大的粗糙度，區(qū)域內(nèi)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(nèi)具有高濃度的碳元素分布等特征，綜合分析結(jié)果顯示GBF區(qū)域是材料內(nèi)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。