高强度钢超高周疲劳的研究进展

近年来,高速列车、汽车、航天器中的核心工程构件承受的疲劳循环已达108～1010周次甚至更高.目前的研究结果表明,高强钢材料在10 7周次以上的超高周疲劳阶段内仍会发生疲劳断裂,不存在传统的疲劳极限.因此,研究高强钢的超高周疲劳特性不仅有助于理解疲劳机理,而且有利于研究材料超高周疲劳设计及寿命评估方法.论述了高强钢超高周疲劳研究的背景和意义,介绍了近几年超高周疲劳的研究成果,包括S-N曲线的特征、裂纹萌生特征和扩展机理、断面上鱼眼形貌等,并给出了未来超高周疲劳的研究方向.     

合金元素Mo对材料超高周疲劳性能的影响

采用超声疲劳试验技术对42CrMo钢超高周疲劳性能进行了研究。将42CrMo钢超高周疲劳S-N曲线与已有文献中40Cr钢在相同试验方法和试验条件下得到的超高周疲劳S-N曲线进行比较,结果显示42CrMo钢超高周疲劳性能优于40Cr钢。通过分析推测,合金元素Mo增加了疲劳裂纹内部萌生的时间,进而提高了材料超高周疲劳的寿命。     

高频载荷下高强钢的超高周疲劳及热耗散研究

应用超声疲劳试验技术,对两种高强度钢(42CrMo4,100Cr6)在20kHz频率下的超高周疲劳性能进行测试分析.实验结果表明:两种钢的S -N曲线在106周发生了明显的变化,出现了水平渐近线.尽管23个42CrMo4钢试样用于1010周的疲劳试验,但在8.76×107循环周次以上,没有疲劳破坏发生,42CrMo4钢存在疲劳极限,而100Cr6钢的S -N曲线呈现台阶型.高精度热成像仪检测不同载荷条件下疲劳试样温度的变化结果显示:温度的变化与试验材料和加载水平有关.试样温度的快速升高发生在超声疲劳试验的初期,温度的变化反映了材料内部的热耗散过程.裂纹萌生后,微裂纹处不可逆的局部塑性变形导致裂纹萌生区温度急剧升高,疲劳试样内部温度场的变化反映材料的疲劳损伤过程.SEM观察表明:在长寿命区,疲劳裂纹常萌生于试样内部或次表层组织缺陷处.     

CrMoW转子钢的高温超高周疲劳性能

使用自主搭建的高温超声疲劳实验系统在常温和600℃进行Cr Mo W转子钢1×1010周次超高周疲劳实验,研究了Cr Mo W转子钢在工作温度下的超高周疲劳性能。结果表明:在600℃和常温下转子钢的S-N曲线均呈连续下降型,试件在109周次后仍发生疲劳断裂。在常温实验条件下疲劳寿命小于1×107周次试件的裂纹多萌生在表面,而高于1×107周次的多以内部萌生为主。在高温实验环境下裂纹也在内部夹杂处萌生,且裂纹萌生方式对疲劳寿命没有决定性作用。鱼眼定量分析结果表明,Cr Mo W转子钢在600℃和常温下裂纹扩展的应力强度因子门槛值分别为3.4 MPa·m1/2和1.0 MPa·m1/2。     

当量加速腐蚀条件下7B04-T6高强度铝合金疲劳裂纹扩展规律研究

基于编制的机场环境加速试验谱,针对关键结构高强度铝合金件进行当量腐蚀试验,在实验室条件下成功地模拟和再现了服役环境条件的腐蚀损伤,借助复型法观测得到了腐蚀损伤的演化规律;通过预腐蚀疲劳试验和疲劳断口扫描电镜定量分析,得到了裂纹长度a与循环次数N数据集,分析了裂纹扩展速率da/d N与应力强度因子幅值ΔK的对应关系,定量表征了不同程度腐蚀损伤对疲劳裂纹扩展行为的影响规律.结果表明,在腐蚀初期,疲劳裂纹扩展过程中有经典的小裂纹扩展阶段;随着腐蚀损伤的加重,小裂纹行为不明显;腐蚀损伤越严重,疲劳裂纹扩展速率越快,结构抗疲劳性能显著退化.     

热处理工艺对50CrVA高强弹簧钢超高周疲劳损伤机制的影响

研究了50CrVA高强弹簧钢在不同热处理状态下(淬火+中温回火和退火)的超高周疲劳破坏行为及其裂纹萌生机理。结果表明,50CrVA高强弹簧钢在107~109循环周次内发生疲劳破坏,两种热处理状态的S-N曲线下降形态不同,均未出现疲劳极限。热处理工艺改变50CrVA的微观组织,从而影响超高周疲劳阶段(寿命107周次)的疲劳破坏损伤机制:经淬火+中温回火处理材料破坏多起源于内部夹杂物,夹杂物周围存在的应力场与溶质原子发生弹性交互作用,吸引间隙原子向其周边扩散、富集,使间隙原子富集区材料性能下降,导致裂纹在内部夹杂物处萌生;退火热处理后材料微观组织对间隙原子向材料内部夹杂物扩散起到阻碍作用,所以超高周疲劳裂纹易于在材料表面萌生。     

P92钢蠕变-疲劳交互作用下的裂纹扩展行为EI北大核心CSCD

在630℃下,对P92钢进行应力控制下的蠕变-疲劳交互作用实验,研究P92钢高温蠕变-疲劳交互作用下的裂纹扩展行为,并结合断口形貌分析蠕变-疲劳裂纹扩展的机理以及a-N曲线的转折点含义。结果表明:P92钢在蠕变-疲劳交互作用下的断裂属于蠕变韧性断裂,应该用(C_t)_(avg)作为裂纹扩展的断裂参量;P92钢在蠕变-疲劳交互条件下,试样的断口主要表现为蠕变孔洞以及微裂纹。此外,发现a-lg(N_i/N_f)曲线以及(da-dN)-N曲线中的拐点,分别对应蠕变-疲劳裂纹萌生区向扩展区转变周次以及扩展区向瞬断区转变的周次。     

WE94镁合金长寿命疲劳小裂纹萌生和扩展行为研究

镁合金作为结构材料在汽车、航空、航天等领域有广泛的应用前景,在实际服役过程中存在高频振动荷载的长期作用。为解决镁合金结构件在长寿命服役条件下的安全与可靠性问题,基于旋转弯曲和超声振动加载两种疲劳实验方法,研究WE94镁合金在高周与超高周区间（104～109周次）的疲劳强度与失效机制。结果表明,疲劳裂纹萌生于沿基面的滑移带并在断裂面上形成解理状“小平面”形貌;而在疲劳小裂纹扩展初期,裂纹面存在大量细小平行状条带,该条带于裂纹尖端与孪晶带的交互作用过程中形成。因此,镁合金疲劳小裂纹的萌生与扩展过程对材料局部微结构形态与变形机制表现出密切的相关性。     

40CrNiMoA钢不同微观组织超声疲劳寿命研究

应用超声疲劳试验技术,对三种不同微观组织状态的40CrNiMoA钢在超声振动载荷(f＝20kHz,R＝-1)下的疲劳性能进行测试分析.结果表明:在超声振动条件下,具有强韧配合的微观组织超声疲劳寿命得到显著提高;不同微观组织的40CrNiMoA具有两种类型的S-N曲线:持续下降型和阶梯下降型,试样在107以上仍会发生疲劳断裂.扫描电镜对疲劳断口的分析表明:在超声疲劳载荷循环下,疲劳裂纹起源于试样表面.初步探讨了超高周疲劳断裂机理.     

不同温度环境下CrMoW转子钢超高周疲劳行为研究

利用旋转弯曲疲劳试验机,研究CrMoW转子钢在常温与600℃条件下的超高周疲劳特性。对试验数据采用三参数模型拟合,用扫描电子显微镜(SEM)对疲劳断口进行分析。研究结果发现,600℃下的S-N曲线呈现直线下降的趋势,不存在传统意义上的疲劳极限。高温会加速试样的氧化,促进裂纹的萌生与扩展,降低材料的疲劳寿命。断口分析表明:疲劳裂纹主要萌生于试样表面,很少发现裂纹萌生于内部的情形。在600℃下,裂纹萌生区普遍发现有夹杂物。对试验前后转子钢硬度值进行测量,没有发生明显变化。     

贝/马复相钢超高周疲劳行为及非夹杂起裂

贝/马复相钢具有较低的夹杂物敏感性,组织因素对其超高周疲劳性能具有显著影响。组织因素引起的"非夹杂起裂"成为贝/马复相钢重要的裂纹萌生方式,贝/马复相组织的类型、形态、均匀性、细化程度等都对钢的超高周疲劳性能具有显著影响。讨论了组织纯净化、组织细化和残余奥氏体对贝/马复相钢超高周疲劳性能及其裂纹萌生机制的影响,在合理控制夹杂物水平的基础上,调控复相组织,可以在1 600MPa级别的贝/马复相钢中,获得超高周(循环周次大于108)疲劳强度达到900MPa的优异性能。同时对非夹杂起裂机理进行了初步探讨。     

盐雾预腐蚀对HRB400E抗震钢筋超低周疲劳性能的影响

研究了盐雾预腐蚀对HRB400E钢的超低周疲劳性能影响.用NaC1溶液在盐雾腐蚀箱中对试验钢加速腐蚀30～90 d,然后采用轴向位移控制模拟强震载荷进行超低周疲劳试验,获得载荷随循环周次的变化关系和应变寿命曲线等;最后采用扫描电镜对断口形貌进行观察,分析微观断裂机理.试验结果表明:预腐蚀30、60和90 d的试验钢寿命...     

AF1410与300M钢的腐蚀冲击疲劳行为

根据舰载飞机起落的服务条件提出了腐蚀冲击概念和试验方法，考察了两种起落架材料在盐水中的腐蚀冲击疲劳行为，包括冲击疲劳寿命，裂纹萌生与扩展速率。尽管两种材料在空气中的冲击疲劳寿命几乎相等。但300M钢在盐水中的冲击疲劳寿命下降幅度较大。在盐水介质中，氢脆加速300M钢冲击疲劳裂纹的萌生和扩展。局部塑性变形区优先腐蚀促使AF1410钢的裂纹萌生，盐水对AF1410钢的裂纹扩展速率没有影响。     

几种高强度钢腐蚀疲劳裂纹扩展行为的研究

本文研究了ＧＣ－４，３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ和３００Ｍ超高强钢的腐蚀疲劳裂纹扩展行为。考虑了环境，热处理制度，应力比和频率对裂纹扩展的影响。研究结果表明：腐蚀环境和热处理制度对疲劳裂纹扩展有显著影响。在侵蚀性环境中随频率降低，裂纹扩展大幅度上升，随应力比提高，环境影响加剧。利用扫描电镜对试样断口形貌进行了分析，并讨论了高强钢的腐蚀疲劳机理。     

0Cr16 Ni5 Mo不锈钢疲劳性能研究

通过疲劳试验对 0Cr16Ni5Mo不锈钢疲劳性能和海水中的腐蚀疲劳性能进行了研究 ,并对断口特征进行了金相及SEM分析。结果表明 :钢的σ-1 、σ-1SCC 和τ-1 分别为 5 5 0MPa、40 8MPa和 2 85MPa ,σ-1 、τ-1与σb 、σ0 .2 之间符合奥金格公式。不同条件下的疲劳断口特征各异 ,纯旋转弯曲疲劳断口属正常形貌 ,而扭转疲劳断口的扩展阶段疲劳条带不明显 ,这与受力条件复杂有关。海水介质中疲劳开裂具有表面多条裂纹源特征 ,裂纹尖端的应力集中加速裂纹扩展造成腐蚀疲劳强度降低 ,裂纹扩展至断裂符合正常疲劳断裂机理。     

高强度螺柱断裂原因

某高强度螺柱在服役10个月后发生断裂，采用宏观观察、化学成分分析、扫描电镜分析、金相检验以及力学性能测试等方法对螺柱断裂原因进行了研究。结果表明：在较大交变载荷的作用下，断裂螺柱螺纹牙底的折叠位置萌生裂纹并扩展，最终发生疲劳断裂。     

超声疲劳试验方法对S06钢疲劳性能及裂纹萌生机制的影响

采用超声疲劳试验方法和试样尺寸相近的高频疲劳试验方法对S06钢进行疲劳性能试验,将试验数据和试样断口形貌进行对比,研究超声疲劳试验方法对S06钢疲劳性能和裂纹萌生机制的影响.结果表明:在相同的应力水平下,超声加载频率下S06钢的疲劳寿命高于高频疲劳试验测得的疲劳寿命;超声疲劳试验中裂纹全部从表面萌生,而高频疲劳试样裂纹有表面萌生和内部萌生两种机制.分析了超声加载频率对S06钢疲劳性能和裂纹萌生机制产生影响的原因:对疲劳性能的影响与金属材料的晶体结构和裂纹尖端的化学反应有关,对裂纹萌生机制的影响与试样表层残余应力松弛有关.     

金属工程材料腐蚀疲劳行为研究进展

合金钢、不锈钢等金属工程材料在服役过程中受到交变荷载以及腐蚀性介质的共同作用,使工程结构发生腐蚀疲劳,造成金属工程材料的承载能力降低和服役寿命缩短。因此,揭示载荷-环境体系下材料的腐蚀疲劳开裂规律对工程结构的前期设计及使用寿命预测都有深远意义。金属工程材料腐蚀疲劳失效的机制包括裂纹萌生和扩展两部分。目前的研究主要集中于裂纹扩展寿命,对裂纹萌生的研究较少。裂纹萌生机制仍存在争议,主要的观点有点蚀加速裂纹形成理论、滑移带优先溶解理论、保护膜破裂理论和吸附理论等。目前,关于腐蚀疲劳裂纹扩展机制的研究主要有阳极溶解和氢致开裂两种观点。影响腐蚀疲劳寿命的主要因素分为材料因素、力学因素及环境因素三方面。目前力学因素的研究主要集中于应力比、加载频率、加载波形等;材料因素的研究主要为显微组织及合金元素;环境因素的研究包括介质温度、浓度、含氧量、pH值及外加电位等。本文综述了金属工程材料腐蚀疲劳开裂机制及影响因素的研究现状,归纳了金属腐蚀疲劳的研究成果与不足,并在此基础上提出了下一步的研究方向及发展趋势,为相关领域的研究人员提供新思路。     

氢蚀温度20G和15CrMo钢疲劳行为的影响

研究了氢蚀温度对２０Ｇ和１５ＣｒＭｏ钢常规力学性能疲劳性能和机制的影响以在力比对腐蚀后２０Ｇ钢疲劳性能的影响，结果表明，氢蚀后２０Ｇ钢的疲劳氢蚀对材料损伤程度和氢蚀导致和粗糙内裂纹途径造成产合效应增加两因素联合作用，氢蚀后１５ＣｒＭｏ钢脱碳严重，其疲劳行为仪受脱碳对材料的损伤作用的影响，应力比对２０Ｇ疲劳性能也有很大影响。     

42CrMo钢疲劳裂纹扩展剩余寿命评估

以高频三点弯曲疲劳试验机为平台,进行42CrMo钢疲劳裂纹扩展试验研究,通过建立裂纹扩展剩余寿命评估模型,实现对存在裂纹的工程机械零部件剩余寿命的评估。采用显微成像测试系统实时采集并测量疲劳扩展裂纹,使用声发射系统监测整个疲劳裂纹扩展过程。结果表明:声发射幅值、能量等特征参数可以实时反应疲劳裂纹萌生、稳定扩展和失稳扩展等各个损伤阶段,并在疲劳断裂时产生急剧的突变;裂纹扩展速率的对数值与应力强度因子幅的对数值具有较高的线性相关性,建立了不同应力工况条件下裂纹扩展剩余寿命评估模型,以双排链轮轴为例进行裂纹扩展剩余寿命评估;随着疲劳应力的增加,裂纹扩展剩余寿命减小。