32Cr3MoVE轴承钢旋弯疲劳特性及裂纹萌生扩展行为

摘要：采用光滑漏斗状试样对32Cr3MoVE轴承钢进行旋转弯曲疲劳测试，研究了32Cr3MoVE轴承钢旋转弯曲疲劳性能及裂纹萌生扩展行为。采用升降法测得其疲劳极限为860MPa，疲劳断口SEM观察并统计破断试样结果表明：疲劳破坏68.7%是由于非金属夹杂起裂，18.8%由表面加工缺陷起裂，125%为表面粗糙度起裂。当加载应力低于980MPa时，疲劳断裂主要是由于内部非金属夹杂引起的，高于980MPa时，疲劳断裂主要是由于表面粗糙度引起的。表面加工缺陷和表面粗糙度引起的最大应力强度因子分别为3.05和2.97MPa·m1/2，容易引发疲劳裂纹。非金属夹杂物尺寸在5.30～5.90μm范围内，局部应力从859.35MPa升至977.75MPa时，疲劳寿命从1.96×105降低到1.58×105；非金属夹杂物局部应力在840～900MPa范围内，夹杂物尺寸从2.28μm升至5.83μm时，疲劳寿命从1.10×106降低到1.96×105。     

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。     

1Cr17Ni1双相不锈钢室温旋转弯曲疲劳性能

在应力比R=-1,转速为5 000 r/min和室温环境下测试了1Cr17Ni1双相不锈钢光滑旋转弯曲疲劳试样和缺口旋转弯曲疲劳试样的数据,得到了2种试样的S-N曲线.并采用扫描电镜(SEM)分析了2种试样的断口形貌,研究了1Cr17Ni1双相不锈钢高周疲劳特性.结果显示,光滑旋转弯曲疲劳试样的疲劳极限为320 MPa,其疲劳裂纹萌生于试样的表面;缺口旋转弯曲疲劳试样的疲劳极限为137 MPa,其裂纹源萌生于缺口处.经计算得到1Cr17Ni1双相不锈钢的缺口敏感系数为0.67.     

温度对高钴钼不锈轴承钢高周疲劳性能的影响

为了提高宇航轴承的寿命和可靠性,研究了轴承用高钴钼不锈轴承钢在不同温度下的高周旋转弯曲疲劳性能和失效形式。结果表明,随着温度的升高,试验钢的疲劳极限强度逐渐下降,利用升降法测得25、300、500℃条件下疲劳极限强度分别为927、840、667 MPa,与25℃相比,300、500℃条件下疲劳极限强度分别降低了9.4%、28.0%。25℃时裂纹萌生是由表面沟壑导致的应力集中引起的,当温度上升至300℃时,疲劳试样基体硬度下降,在长时间交变应力作用下出现驻留滑移带,并且由于碳化物析出和长大,加速了表面沟壑萌生裂纹的形成。500℃时基体硬度继续下降,使驻留滑移带更容易产生。在热力耦合作用下,疲劳试样边缘析出碳化物,在长时间热作用下碳化物长大,驻留滑移带内碳化物与位错交互作用,在碳化物边缘上萌生微小裂纹。碳化物的析出和长大加速了疲劳裂纹的扩展。     

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。     

压痕对车轴钢疲劳极限的影响

利用硬度计在光滑沙漏状车轴钢疲劳试样上制造压痕,同时利用电火花在试样上加工缺陷,通过疲劳试验研究两种缺陷尺寸与试样疲劳极限之间的关系.将两类试样的测试结果和基于材料硬度、缺陷投影面积的Murakami模型计算结果进行对比.利用扫描电镜观察试样疲劳断口.结果表明,与计算结果相比较,压痕局部塑性变形导致的加工硬化和残余应力对试样的疲劳强度没有影响,裂纹依然从应力集中最大的压痕底部起裂.电火花缺陷表面粗糙度较大引起二次缺口效应,表面硬脆的重铸白层上还有微孔和微裂纹存在,导致此类试样疲劳强度低于模型计算结果,裂纹从电火花缺口底部多处萌生.      

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。     

表面加工方法对TC4钛合金表面完整性及高周疲劳性能的影响

研究了磨削、一次喷丸、二次喷丸3种表面加工方法对TC4钛合金表面完整性及高周疲劳性能的影响规律,采用白光干涉仪、X射线残余应力测试仪对经不同方法加工的试样的表面形貌、表面粗糙度和表面残余应力分布等表面完整性参数进行了表征。采用旋转弯曲疲劳试验机分别测试了不同方法加工的光滑试样(应力集中系数Kt=1)和缺口试样(Kt=2)的旋转弯曲疲劳S-N曲线。结果表明,相比磨削,一次喷丸和二次喷丸处理后TC4钛合金光滑试样和缺口试样的疲劳极限均显著提高,TC4钛合金的疲劳缺口敏感性下降。另外,二次喷丸的疲劳极限增益效果优于一次喷丸的,原因是二次喷丸在TC4钛合金表面形成了更优的残余压应力场分布和更低的表面粗糙度。     

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。     

缺口对渗氮CrNiW钢超高周疲劳特性的影响

 为了研究缺口敏感性对渗氮CrNiW钢疲劳特性的影响,设计了一种光滑试样和两种缺口试样(应力集中系数K_t=1.20、1.55),开展了渗氮CrNiW钢的超高周疲劳试验,使用SEM观测疲劳断口的微观结构,分析了疲劳缺口系数K_f、疲劳敏感系数q和循环周次N_f之间的关系。结果表明,渗氮对钢材疲劳性能的提升不大,光滑试样和K_t=1.20的缺口试样存在表面和内部两种起裂模式,诱发内部起裂的缺陷均位于内部非渗氮区,K_t=1.55时发现一种新的渗氮层内不均匀基体组织诱发的失效模式。光滑试样未出现双重S-N特性,K_t=1.20时S-N曲线出现表面与内部起裂双重S-N特性,K_t=1.55时出现短寿命区和超高周寿命区表面起裂双重S-N特性。随着K_t的增大,多个内部缺陷同时萌生裂纹的现象被单裂纹源诱发失效的现象取代,并且诱发失效的内部缺陷位置呈现向试样表面靠近的趋势,鱼眼形状呈近似横向扁形→圆形→纵向椭圆形变化。缺口应力集中对表面起裂疲劳寿命影响较大,对内部起裂疲劳寿命影响很小。     

高氮不锈轴承钢高温旋弯疲劳性能及损伤机制

40Cr15Mo2VN高氮不锈钢在300、400℃条件下旋转弯曲疲劳试验,结果表明,300℃条件下安全疲劳极限强度为787 MPa,400℃条件下疲劳极限强度为860 MPa,300℃条件下安全疲劳极限较400℃下降8.5%。通过SEM观察断口发现,疲劳破坏类型均为表面缺陷起裂、夹杂物起裂及基体孔洞起裂。高温下,碳化物、晶界等在热力耦合作用下成为孔洞形核的位置,孔洞长大连接成微裂纹,成为裂纹萌生扩展的主要原因,300较400℃条件下安全疲劳极限下降的主要原因是蠕变孔洞聚集程度高,容易连接成微裂纹,导致疲劳失效。     

高氮不锈轴承钢高温旋弯疲劳性能及损伤机制

摘要：40Cr15Mo2VN高氮不锈钢在300、400℃条件下旋转弯曲疲劳试验，结果表明，300℃条件下安全疲劳极限强度为787MPa，400℃条件下疲劳极限强度为860MPa，300℃条件下安全疲劳极限较400℃下降85%。通过SEM观察断口发现，疲劳破坏类型均为表面缺陷起裂、夹杂物起裂及基体孔洞起裂。高温下，碳化物、晶界等在热力耦合作用下成为孔洞形核的位置，孔洞长大连接成微裂纹，成为裂纹萌生扩展的主要原因，300较400℃条件下安全疲劳极限下降的主要原因是蠕变孔洞聚集程度高，容易连接成微裂纹，导致疲劳失效。     

高温渗碳轴承钢旋弯疲劳裂纹萌生与扩展行为

 为了提高航空轴承的服役寿命,借助QBWP-10000X型旋转弯曲疲劳试验机,研究了高温渗碳轴承钢的旋转弯曲疲劳性能和裂纹萌生扩展行为。结果表明,钢的中值疲劳强度达到913.3 MPa。有效渗层中大量M₂₃C₆和少量M₆C碳化物显著提高了试验钢的表面硬度,渗层不同碳浓度导致马氏体先后发生相变而形成408 MPa表面压应力,进而提高了钢的疲劳性能。疲劳裂纹主要萌生在表面缺陷和次表面碳化物,分别占比71.4%和 28.6%。萌生裂纹缺陷特征尺寸及承载应力对应力强度因子和循环次数影响显著,深犁沟形状由于涉及应力集中而直接影响疲劳循环次数,承受相同加载应力碳化物特征尺寸越大,循环次数越低。裂纹萌生后沿渗碳层碳化物边界快速扩展同时向芯部缓慢扩展,最后在试样疲劳源对侧近边缘区域发生准解理和韧性混合断裂。     

回火温度对铁路车轴用合金钢高周疲劳性能的影响

采用旋转弯曲疲劳实验和疲劳裂纹扩展速率实验研究了不同回火温度对铁路用合金车轴钢高周疲劳性能的影响。结果表明,采用630℃回火的实验料光滑试样疲劳极限和缺口疲劳极限明显较650℃回火的实验料要高,虽然630℃回火的实验料光滑试样疲劳强度比σ-1/Rm较650℃回火的实验料略低,但前者缺口疲劳敏感性σ-1/σ-1N明显较低。对疲劳断口的分析结果表明,光滑试样的疲劳裂纹均起源于表面基体,缺口试样疲劳裂纹均起源于缺口根部,两种疲劳试样疲劳裂纹均以准解理机制扩展。进一步裂纹扩展速率实验表明,在应力强度因子范围ΔK较低时,630℃回火的实验料的da/dN略小于650℃回火的实验料;在ΔK较高时,二者的差异就很小。     

Q345R钢中微缺陷的裂纹萌生与扩展

 对压力容器与压力管道用钢Q345R在低周疲劳下微孔（[?]40～200 μm）的裂纹萌生与扩展规律进行了研究。研究表明小裂纹的萌生主要机理为滑移带启裂,并且由剪应力起主导作用。微缺陷的尺寸、应力幅等因素对疲劳寿命均有影响显著,当应力幅值较低时,微孔的尺寸对疲劳寿命有明显影响。当应力幅值水平较高时,小孔直径对疲劳寿命的影响则不敏感。微观缺陷尺寸存在临界值,当缺陷尺寸大于临界值时,疲劳寿命下降很快。在同一应力幅水平下,裂纹萌生寿命与疲劳总寿命的比值[（Nt/Nf）]与微孔尺寸没有关系,本试验的低周疲劳下约为10%～25%。     

较小预变形对降低钢疲劳极限的影响

通过旋转弯曲试验研究在较小的拉伸预变形下碳钢光滑试样的疲劳特性，讨论了预变形降低疲劳极限的机理。结果发现，３％的预变形会促进滑移和裂纹的萌生，并加快小于０．３ｍｍ的表面微裂纹的扩展速度，而且也会降低疲劳极限。如果对预变形材料进行时效处理，则会提高疲劳极。较小预变形对疲劳性能的影响可认为是预变形使得钢中的钉扎位错脱钉。     

7475-T7351铝合金抗疲劳性能研究

采用旋转弯曲疲劳试验、轴向加载疲劳试验、疲劳裂纹扩展速率试验等疲劳性能测试方法,研究了7475-T7351铝合金厚板的疲劳性能.并通过透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)分析了该合金的显微组织和疲劳断口形貌.结果表明:7475-T7351铝合金具有良好的耐疲劳损伤性能,光滑试样(Kt=1)在室温旋转弯曲和高温轴向加载条件下的疲劳极限分别为180.0和345.0 MPa,缺口试样(Kt=2.2)在室温旋转弯曲加载条件下的疲劳极限为91.9 MPa;合金厚板材料在高温下缺口敏感性有所降低;国产材料裂纹扩展速率随应力比增加而增大,裂纹扩展门槛值减小;国产7475铝合金与进口材料在裂纹稳定扩展阶段裂纹扩展行为基本相当;在近门槛值附近不同应力比下的裂纹扩展门槛值略有差别.     

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。     

38MnVS非调质钢的缺口高周疲劳破坏行为

锻件截面尺寸变化及表面加工缺陷所引起的应力集中往往会导致其早期疲劳失效,因而要求钢材具有高的缺口疲劳性能和低的疲劳缺口敏感度。为了明确非调质钢的缺口疲劳破坏行为,采用旋转弯曲疲劳试验机研究了一种锻造用中碳非调质钢38MnVS在不同应力集中系数Kt(1、2、4)下的高周疲劳破坏行为。结果表明,试验料的光滑和缺口疲劳S-N曲线均存在明显的疲劳极限,Kt对试验料的疲劳极限和疲劳缺口敏感度qf具有显著的影响,当Kt从1(光滑试样)提高到2和4时,疲劳极限分别降低了48%和67%,qf值分别为0.93、0.68,呈现出较高的疲劳缺口敏感性。试验结果及文献数据的拟合分析表明,可采用Kt的幂函数来表征试验料的缺口疲劳极限,并提出了预测铁素体+珠光体型非调质钢在不同Kt下疲劳极限的一种简便高效方法。     

抛丸强化对车轮辐板疲劳性能的影响

研究了车轮辐板光滑样、抛丸样和含0.2、0.5mm缺口抛丸样的疲劳性能。结果表明,与光滑样比,抛丸样疲劳极限提高约20%;含0.2mm缺口抛丸样的疲劳极限比光滑样略有下降;含0.5mm缺口抛丸样的样疲劳性能显著降低。断口分析表明,疲劳源起于试样表面,缺口样的疲劳源位于缺口处。0.2mm深的缺口处仍然处于抛丸影响区域,0.5mm深的缺口进入基体。辐板表面抛丸强化处理对提高疲劳性能具有明显效果,但抛丸后的表面如果产生缺陷,抛丸的有利作用会受到抵消,缺陷深度大于硬化层深度时,抛丸产生了负面作用,会促进疲劳裂纹的萌生和扩展。对喷丸处理的零件,防止表面受外部影响而产生缺陷至关重要。