高氮轴承钢高温疲劳性能与裂纹萌生扩展机理

200℃下,40Cr15Mo2VN高氮轴承钢旋转弯曲疲劳性能测试结果表明其安全疲劳极限强度为883MPa,较室温条件下降了17%。通过SEM疲劳断口观察发现,疲劳破坏类型主要为表面缺陷起裂和内部非金属夹杂物起裂。与室温相比,200℃条件下疲劳应力强度因子门槛值ΔKth下降了20%,导致疲劳裂纹起始的临界非金属夹杂物尺寸减小;200℃条件下表面起裂中疲劳源附近细小裂纹的相互作用使得应力强度因子KI增加,加速表面初始裂纹扩展。同时,根据高氮轴承钢中非金属夹杂物所在位置的名义应力幅度与缺陷疲劳极限强度的比值,分析了非金属夹杂物尺寸、位置及温度对疲劳寿命的影响。     

高钴钼不锈轴承钢疲劳裂纹萌生及扩展行为

采用高钴钼不锈轴承钢光滑圆柱形试样和缺口试样(理论应力集中系数K_t=3)进行旋转弯曲疲劳测试,研究了高合金轴承钢的裂纹萌生及裂纹扩展行为。用升降法和成组法分别测得轴承钢的疲劳极限和S-N曲线,利用扫描电镜对轴承钢旋转弯曲疲劳试样断口进行观察。结果表明,光滑试样起裂类型为单源萌生起裂,起裂源为表面缺陷和次表面夹杂物,表面缺陷为表面粗糙度、驻留滑移带和加工凹痕,次表面夹杂物为Al_2O_3-CaO-MgO-SiO_2复合夹杂;缺口试样疲劳极限显著下降,起裂类型为多源萌生起裂,计算得轴承钢的缺口敏感系数q_f为1.18。光滑试样疲劳破坏从以高应力幅粗糙度萌生表面裂纹的破坏向低应力幅驻留滑移带、加工凹痕、夹杂缺陷萌生裂纹转移。疲劳裂纹萌生寿命占整个疲劳寿命的94.1%以上。     

30Cr3WVE轴承钢疲劳裂纹形成与扩展行为

通过力学性能测试以及微观组织和疲劳断口形貌分析等系统研究了一种采用双真空冶炼的高洁净度轴承钢30Cr3WVE的高周旋转弯曲疲劳破坏特性及非金属夹杂物对其疲劳性能的影响。结果表明:30Cr3WVE轴承钢经870℃淬火和550℃回火后具有优异的综合力学性能,旋转弯曲疲劳极限强度达到732MPa;通过疲劳断口的SEM观察,疲劳裂纹起源于试样的表面缺陷和内部的非金属夹杂物。表面缺陷为非金属夹杂物脱落形成的凹坑和机加工留下的刀痕,内部非金属夹杂物主要为Al、Mg、Si和Ca的氧化物。夹杂物对30Cr3WVE轴承钢旋转弯曲疲劳极限强度的影响与其尺寸和至表面的距离密切相关。构建了夹杂物尺寸和分布对30Cr3WVE轴承钢旋转弯曲疲劳极限强度影响的模型,通过控制夹杂物尺寸和数量可显著提高该钢的旋转弯曲疲劳极限强度。     

冶金工艺对GCr15高周旋转弯曲疲劳性能的影响

对真空脱气与电渣重熔两种冶金工艺制备的GCr15轴承钢进行了高周机械疲劳试验研究,发现在107次疲劳寿命条件下,电渣重熔轴承钢具有1 085 MPa的旋弯疲劳强度,高于真空脱气轴承钢的1 000 MPa。利用扫描电镜对疲劳断口进行了表征和分析,结果显示引起电渣重熔轴承钢起裂的夹杂物尺寸分布在3.4~25.6μm,而导致真空脱气轴承钢裂纹起裂的夹杂物尺寸为13.3~71.9μm。通过对旋弯疲劳断口的起裂核心夹杂物、裂纹扩展的鱼眼以及瞬间断裂区等疲劳全过程特征参数与旋弯疲劳强度以及旋弯疲劳寿命间关系研究,发现了大颗粒夹杂物尺寸(DS)及分布是影响轴承钢旋弯疲劳强度与寿命的关键因素,指出降低轴承钢中大颗粒夹杂物尺寸、控制其分布以及提高裂纹容忍度依然是未来高端轴承钢冶金控制的发展方向。     

温压Fe-2Cu-0.5Mn-1C烧结材料超声疲劳研究

采用模壁润滑温压制备部分预合金Fe-2Cu-0.5Mn-1C烧结材料,设计材料的弯曲超声疲劳试样尺寸并研究对称弯曲超声疲劳行为,测试了材料在105~108周次下的疲劳性能。结果表明Fe-2Cu-0.5Mn-1C材料弯曲超声疲劳的条件疲劳极限存在,在106,107和108周次下相应的疲劳强度为402 MPa,331 MPa和273 MPa。疲劳裂纹一般在孔隙或夹杂物上萌生。超声疲劳断口的不同区域呈现出不同的特征。高疲劳应力时,裂纹源区位于靠近试样表面的孔隙或夹杂物处;低应力时,裂纹源区移动到材料亚表面或材料内部。裂纹扩展区出现了不规则分布的微观疲劳辉纹形貌,裂纹瞬断区中出现了解理面和韧窝等形貌。     

Cr-Mn钢的室温旋转弯曲疲劳性能

以Cr-Mn弹簧钢为研究对象,采用QBWP-6000J型简支梁旋转弯曲疲劳试验机,对试验材料在室温下进行了旋转弯曲疲劳试验。通过升降法测得疲劳极限,并绘制S-N曲线和P-S-N曲线;使用扫描电镜对疲劳试样断口进行观察,分析了起裂源类型和裂纹扩展行为。结果表明,试验钢旋转弯曲疲劳的疲劳极限为587 MPa,试验钢疲劳断裂起源于试样表面机加工缺陷和非金属夹杂物,非金属夹杂物主要为Al2O3夹杂物。     

M50NiL轴承钢淬回火组织特征及拉压疲劳裂纹的萌生

摘要：通过拉压疲劳试验及微观组织观察研究了M50NiL轴承钢淬回火组织特征及对疲劳裂纹萌生的影响作用。结果表明,试验钢的组织主要为板条马氏体,少量δ-铁素体及M2C、MC碳化物;扫描电镜观察发现1070℃淬回火试样δ-铁素体及临近的聚集球状M2C碳化物,δ-铁素体位于晶界处,尺寸主要为4~8μm,钢中碳化物尺寸最大为2.66μm;1100℃淬回火试样δ-铁素体相界存在大量片状的M2C碳化物,尺寸在8μm以上的δ-铁素体数量增加,最大为17.51μm;1070℃淬回火试样的疲劳极限为713MPa,主要起裂源为Al2O3、Al2O3-CaO夹杂物,循环次数随夹杂物尺寸的增大而降低,且Al2O3-CaO夹杂更易引起试样的疲劳断裂;1100℃淬回火试样的疲劳极限为707MPa,主要起裂源为δ 铁素体组织缺陷,起裂源于8μm以上δ-铁素体的相界处,疲劳寿命受应力及δ-铁素体尺寸影响。     

高洁净轴承钢GCr15滚动接触疲劳机制研究

通过对真空脱气工艺制备的高洁净轴承钢的化学成分、低倍组织、碳化物不均匀性、非金属夹杂物等冶金质量进行标准检测及评级，并利用Aspex扫描分析仪对钢中的非金属夹杂物的数量、类型、尺寸及洁净度指数等进行定量分析，结合滚动接触疲劳寿命试验结果，建立了非金属夹杂物与轴承钢接触疲劳寿命的关系。研究结果表明，高洁净轴承钢的w[O]≤0.000 5%,w[Ti]≤0.000 8%，大颗粒夹杂物DS≤0.5级，但仍是以夹杂物为主导的接触疲劳破坏机制，其中，氧化物类夹杂尺寸较大，并在夹杂物周围存在孔洞缺陷，易于造成应力集中形成疲劳裂纹。高洁净轴承钢中氧化物类夹杂的最大尺寸控制在10μm以下，4.5 GPa高接触应力下的额定寿命L10达到1×107次以上，有望取代电渣重熔轴承钢用于高铁、高速机床主轴、风电主轴等高端装备领域。     

AF1410钢的旋转弯曲疲劳破坏行为

 通过力学性能测试、微观组织和疲劳断口形貌的扫描电镜（SEM）分析等方法系统研究了一种双真空工艺熔炼的高纯度超高强度钢（AF1410）的高周旋转弯曲疲劳破坏特性及非金属夹杂对其疲劳性能的影响。结果表明：AF1410钢经510℃回火5h后,具有优异的综合力学性能,其旋转弯曲疲劳极限强度达到826MPa;通过疲劳断口的SEM观察,试验用AF1410钢的旋转弯曲疲劳裂纹源均起裂于试样表面的加工缺陷,如刀痕、细微缺口等,这些表面缺陷引起的应力集中是导致其疲劳开裂的主要原因;稀土元素La的加入使得高纯AF1410钢弯曲疲劳断口中出现细小圆形的含La非金属夹杂物,但该类稀土夹杂并未成为旋转弯曲疲劳断裂的裂纹源。     

15Cr14Co12Mo5Ni2齿轮钢的扭转疲劳特性及裂纹扩展行为

 通过扭转疲劳试验,研究了15Cr14Co12Mo5Ni2钢的扭转疲劳断裂的裂纹扩展行为和夹杂物尺寸与扭转疲劳寿命之间的关系。得到了钢的扭转疲劳极限强度和[τ-N]曲线,15Cr14Co12Mo5Ni2钢的扭转疲劳极限强度为350 MPa,扭转疲劳寿命分散度较大。通过断口观察,发现15Cr14Co12Mo5Ni2钢的疲劳破坏模式以表面破坏和近表面破坏为主,主要由氧化物夹杂引起。通过计算应力强度因子[ΔK]和裂纹扩展门槛值[ΔKth]分析15Cr14Co12Mo5Ni2钢的疲劳裂纹扩展的断裂力学条件,试验钢在断裂过程中受载荷情况为,II型载荷—I型载荷—II型载荷—I＋II型载荷,分别对应起裂源区、纤维区、疲劳裂纹扩展区和瞬断区;当有大裂纹产生时,则不会产生纤维区,受载荷情况则为：II型载荷—I＋II型载荷。通过公式推导和数据拟合得到夹杂物尺寸和15Cr14Co12Mo5Ni2钢扭转疲劳寿命的关系,发现随着夹杂物尺寸减小,钢的[τ-N]曲线向高寿命区移动。当引起裂纹萌生的夹杂物尺寸小于5 μm时,在350 MPa应力下,15Cr14Co12Mo5Ni2钢的扭转疲劳寿命超过107循环周次。     

Fatigue crack formation and propagation behavior of 30Cr3WVE bearing steel

The fatigue characteristics of a high cleanliness bearing steel(30Cr3WVE)produced by double vacuum melting and the effect of non- metallic inclusions on fatigue properties were studied by mechanical analysis and SEM analysis of microstructure and fatigue fracture morphology.The results show that the 30Cr3WVE bearing steel achieves excellent mechanical properties after being quenched at 870?? and tempered at 550??, and its ultimate rotating bending fatigue strength reaches 732MPa.Through observing SEM results of fatigue fracture,the fatigue crack originates from the surface defects and internalnon- metallic inclusions. Surface defects are caused by the abscission of non- metallic inclusions and machining marks. The internal non- metallic inclusions are mainly oxides of Al, Mg, Si and Ca. The influence of inclusions on the ultimate bending fatigue strength of 30Cr3WVE bearing steel is closely related to its size and distance to the surface. The model of influence of the size and distribution of inclusions on the rotating bending fatigue strength of 30Cr3WVE bearing steel is constructed. The rotational bending fatigue strength of the steel can be improved remarkably by controlling the size and quantity of inclusions.     

一种2000 MPa级中碳高强度弹簧钢的疲劳破坏行为

 研究了一种2 000 MPa级中碳高强度弹簧钢的疲劳破坏行为。升降法得出实验钢的旋转弯曲疲劳极限σ-1为810 MPa，此值明显高于传统弹簧钢；这主要得益于实验钢具有良好的强度和塑韧性配合及均匀细小的奥氏体晶粒。用SEM对疲劳断口的分析表明，实验钢的疲劳破坏均起源于试样表层的非金属夹杂物，其主要成分为含Ti和V的碳氮化物，平均尺寸为(50±10)μm，且呈“鱼眼”断裂。相对于试样心部的夹杂物，表层夹杂物对实验钢的疲劳性能的危害性更大。     

Fatigue crack initiation and propagation behavior of high cobalt molybdenum stainless bearing steel

The crack initiation and propagation behavior of high cobalt molybdenum stainless bearing steel was studied by rotating bending fatigue test with smooth cylindrical specimens and notched specimens (theoretical stress concentration factor Kt=3). The fatigue limit and S- N curve of bearing steel were measured by up- and- down method and group method, respectively. The fractures of the specimens were observed by scanning electron microscopy. The results show that the cracking type of the smooth specimens is single source initiation. The crack source is surface defects and subsurface inclusion. The surface defects are surface roughness, persistent slip band and machining dent, while the subsurface inclusion is Al2O3- CaO- MgO- SiO2 composite inclusion. The fatigue limit of notched specimens is significantly decreased. The cracking type of the notched specimens is multi- source initiation. The notch sensitivity factor qf of bearing steel is 1. 18. The fatigue failure of the smooth specimens is transferred from the surface roughness with high stress amplitude to the persistent slip bands, the machining dents and the inclusions with low stress amplitude. The fatigue crack initiation life accounts for more than 94. 1% of the whole fatigue life.     

表面缺陷对单晶高温合金高周疲劳性能的影响

在定向凝固炉中采用螺旋选晶法制备了一种单晶高温合金试棒,标准热处理后加工成旋转弯曲高周疲劳试样,试样中间位置用电火花加工成不同尺寸的孔洞以模拟叶片的表面缺陷,在980 ℃、应力分别为400 MPa和500 MPa条件下,研究表面孔洞对合金高周疲劳性能的影响,用扫描电镜分析了疲劳试样的断口形貌.结果表明,与标准试样相比,带有孔洞合金的高周疲劳寿命都有不同程度的降低,随着表面孔洞尺寸增大,合金的疲劳寿命逐渐减小.在合金试样的高周疲劳断口上可见疲劳源区、裂纹扩展区和瞬断区.相对于标准试样,带有孔洞试样疲劳源除了试样表面,还有表面孔洞,所有试样都为多源疲劳断裂.与高温下拉伸持久的断裂机制不同,高温下旋转弯曲高周疲劳为类解理断裂.      

High temperature fatigue properties and crack initiation and its expansion mechanism of high nitrogen bearing steel

The flexural fatigue properties of 40Cr15Mo2VN high nitrogen bearing steel at 200?? was 883MPa, which was 17% lower than that at room temperature. The results show that the types of fatigue failure are surface failure initiation and internal non- metallic inclusion. Compared with room temperature, the threshold value of fatigue stress intensity factor ??Kth at 200?? decreases by 20%, leading to the reduction of the critical non- metallic inclusion size at the start of fatigue crack initiation. The interaction of small cracks near the fatigue source in the surface initiation cracks at 200?? increases the stress intensity factor KI and accelerates the initial surface crack propagation. At the same time, according to the ratio of the nominal stress amplitude and the ultimate fatigue strength of the non- metallic inclusions in the high- nitrogen bearing steel, the influence of the size, position and temperature of the non- metallic inclusions on the fatigue life was analyzed.     

GCr15轴承钢双淬火对组织性能影响

 为了提高GCr15轴承钢强韧性,设计了一种GCr15轴承钢双淬火工艺,与常规热处理工艺对比研究发现,采用双淬火工艺处理的GCr15轴承抗拉强度从2 139.5 MPa提高到2 654.5 MPa,旋转弯曲中值疲劳强度从1 000 MPa提高到1 029 MPa。对基体组织定性表征发现,2种热处理后的组织均为针状马氏体,通过定量计算发现,残余奥氏体体积分数从8.33%增加至11.26%,同时位错密度由2.45×1012/cm2增加至3.09×1012/cm2。利用扫描电镜对旋弯断口夹杂物成分分析发现,双淬火处理工艺不改变夹杂物的尺寸、数量和类型。通过微观组织结构与力学性能关系分析发现,双淬火导致抗拉强度、伸长率和高周疲劳强度提升主要归因于缓慢的残余奥氏体TRIP效应以及细晶化带来的变形均匀性。通过微观组织结构与疲劳性能关系分析,发现双淬火引起的低周次疲劳强度降低和高周次疲劳强度提高主要归因于不同疲劳周次下残余奥氏体转变速率不同。快速奥氏体转变导致低周次应力集中增大而疲劳强度降低。相反,高周次的奥氏体TRIP缓解了应力集中,提高了疲劳强度。     

钢水中夹杂物与耐火材料的反应吸附行为

 连铸浇注过程中耐火材料壁面常出现夹杂物聚集、结瘤的问题,不仅降低连铸生产效率和耐火材料寿命,还影响铸坯质量。研究钢液中Al2O3夹杂物在MgO壁面结瘤过程,建立Al2O3夹杂物和MgO壁面的化学反应吸附模型。模型分析结果表明,耐火材料壁面粗糙度为3 μm,夹杂物与壁面接触时间为2×10－6 s,化学反应生成的MgAl2O4可以使半径小于42 μm的夹杂物颗粒吸附在壁面上;半径为5 μm的夹杂物颗粒受到的化学吸附力在5×10－6 s时间内由1.3×10－6增加到2.8×10－6 N;尺寸小于3 μm的夹杂物颗粒非常容易结合在一起,引发结瘤问题。模型的分析结果与实际生产结果相吻合,具有较好的适用性。     

含钙钡合金脱氧和非金属夹杂物控制技术研究

采用MoSi2电阻炉在1〖KG-*9〗873 K下开展了含钙钡合金脱氧和非金属夹杂物控制技术研究。结果表明，各组实验终点钢中夹杂物平均长度均小于8 μm，并都有纯三氧化二铝夹杂物存在。采用含钙钡合金的复合脱氧工艺，终点钢中未发现含钡夹杂物，有较多以CaO Al2O3为主要成分的复合夹杂物，w（T.O）＞50×10-6。用AlMnCa脱氧，终点钢样w（T.O）＝37×10-6，含氧化钙夹杂物较少，大于20 μm的夹杂物数量占总夹杂物数量的1.2%。     

大型客机用300M钢疲劳破坏行为

 结合显微组织观察和力学性能测试,对国产大型客机用300M钢应力比[R＝－1]的轴向光滑疲劳性能进行了研究,分析了大型客机用300M钢的高周轴向疲劳断口形貌及起裂原因,重点研究了非金属夹杂物裂纹源的特性。结果表明,国产大型客机用300M钢冶炼纯净度较高,最终热处理后具有良好的综合力学性能,其应力集中系数[Kt＝1,]应力比[R＝－1]的高周轴向疲劳极限[σ－1]为907 MPa;通过断口SEM观察发现非金属夹杂物引起的应力集中是导致高周轴向疲劳开裂的主要原因,该类起裂源为复杂氧化物和硫化钙的复合非金属夹杂物,尺寸在5.5～20.5 μm之间,主要成分为铝、钙、硅、氧和硫等。