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。     

无镍高氮不锈钢弯曲疲劳裂纹萌生与扩展行为

 采用四点弯曲疲劳试验研究了不同应力水平下无镍高氮不锈钢的疲劳行为,并对材料疲劳裂纹的微观形貌、萌生位置及扩展路径进行了分析。结果表明,试验钢疲劳为多裂纹起裂,随着应力水平的升高,裂纹总长度逐渐增加,当应力水平接近材料屈服极限时,裂纹长度趋于稳定;裂纹大多数在滑移带处萌生,裂纹在扩展过程中产生了扭曲、偏移和分叉现象;裂纹在晶内主要沿单滑移带或多滑移带交替扩展,穿过晶界或孪晶界时大多发生了偏转。     

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.     

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。     

粉末高速钢疲劳裂纹萌生与扩展的研究进展

本文系统的阐述了近30年来粉末冶金高速钢的疲劳裂纹的萌生与扩展行为的研究进展。粉末高速钢晶粒细化、碳化物分布均匀,弥散度高,碳化物细化效果使得抗弯强度、冲击韧性大幅度提高。但是粉末高速钢由于微结构之间的平均距离比熔铸高速钢要小的多,其裂纹扩展速率较高,使得粉末高速钢过早断裂的危险性比熔铸高速钢要大。而减少粉末高速钢夹杂物的临界尺寸和降低孔隙率可以有效的改善其疲劳性能。     

固溶处理对2205双相不锈钢组织与疲劳裂纹扩展规律的影响

采用光学显微镜、扫描电镜、EDS能谱分析和力学性能测试等方法,研究了固溶处理对2205双相不锈钢显微组织与疲劳裂纹扩展规律的影响。结果表明：与原始热轧态相比,在950~1150℃范围固溶处理的试样的疲劳裂纹门槛值显著提高,稳态裂纹扩展速率均有所减小。在950℃固溶处理时,组织中析出少量的σ相,试样的稳态裂纹扩展速率显著降低;随着固溶温度的升高,组织中α相含量逐渐增加,σ相溶解,试样的稳态裂纹扩展速率的变化呈现为先增大后减小的趋势;当固溶温度达到1150℃时,组织中α相含量最高且两相组织明显粗化,试样的稳态裂纹扩展速率达到最小,呈现出最高的抗疲劳裂纹扩展能力。固溶处理引起σ相的析出与溶解、α相含量的增加及组织粗化是引起2205双相不锈钢试样疲劳裂纹扩展性能非单调变化的原因。     

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。     

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%。     

氢致钢内部疲劳裂纹萌生和扩展的有限元分析

对氢致钢内部疲劳裂纹的萌生和扩展进行了数值模拟.首先用有限元法分析了氢在疲劳载荷作用下向钢中缺陷处扩散富集的过程,然后计算得到氢含量分布结果.根据夹杂理论将氢富集区视为在缺陷附近分布的弹性夹杂,用有限元法计算得到的氢含量场求出夹杂处的应力强度因子,进而建立疲劳裂纹萌生和扩展的判据.比较了在不同加载条件下氢致疲劳裂纹萌生和扩展的规律.用梯形法修正了Sofronis和McMeeking的瞬态扩散有限元公式,发现用梯形法可以缓解加载初期较高的浓度梯度和应力梯度引起的计算结果震荡的情况,这对于计算开裂判据是十分重要的.最后讨论了提高模拟精度和改进模型的方法.     

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.     

Study of fatigue crack propagation behaviour for dual-phase X80 pipeline steel

Load-controlled fatigue tests were conducted on dual-phase X80 pipeline steel to investigate the effects of stress ratio (R-ratio) on the fatigue crack growth behaviour. Dual-phase X80 pipeline steel showed a non-linear relationship between fatigue crack growth rate (da/dN) and the stress intensity factor range (ΔK) at each R-ratio. Fatigue crack propagation curves of X80 pipeline steel were evaluated using the conventional Paris equation and a new exponential equation named αβ model. In addition, the electron back-scattered diffraction technique was used to study the effects of stress ratio on the fatigue crack growth behaviour. The results indicated that the corresponding ΔK of the transition point decreased with the increase of R-ratio. That was attributed to the variation of the crack path and the fracture mode because of the changes in the size of monotonic plastic zone and cyclic plastic zone at crack tip. Compared to the overall fitting, piecewise fitting by Paris equation and αβ model, piecewise fitting was the most accurate method, and αβ model is more convenient and efficient than the conventional Paris-based equations.     

基于声发射监测的316LN不锈钢的疲劳损伤评价

疲劳裂纹的萌生与扩展容易导致压力容器及管道的严重疲劳失效.因此就设备的安全可靠性而言,非常有必要对疲劳裂纹扩展过程进行监测,并对疲劳损伤程度进行评估.本文针对316LN不锈钢材料进行疲劳实验研究,利用直流电位法测量实验中的裂纹长度,得到了材料的疲劳裂纹扩展曲线.利用声发射技术对疲劳裂纹扩展过程进行监测,通过声发射多参数分析对疲劳损伤状态进行评价,同时建立了声发射参数与线弹性断裂力学参数之间的关系,并进行寿命预测.研究表明:声发射能够对316LN不锈钢的疲劳裂纹损伤进行有效评估,声发射累积参数如累积计数、累积能量和累积幅值曲线上的转折点标志着疲劳裂纹进入快速扩展阶段,这可以为工程人员提供失效预警;声发射波形和频谱分析表明,噪声信号的幅值较小且信号持续时间较长,信号包含的频率成分比较复杂,而裂纹扩展信号是突发型信号,衰减较快,信号频率主要集中在80~170 kHz范围内;声发射计数率、能量率和幅值率与应力强度因子幅度以及疲劳裂纹扩展速率之间呈线性关系,裂纹长度预测结果与实测值接近.本研究工作对于工程结构的疲劳失效预警和剩余寿命预测具有重要意义.     

基于XFEM的岩体卸荷过程裂纹起裂扩展规律研究

地下和边坡工程开挖常涉及岩体卸荷问题,采用ABAQUS软件中的扩展有限单元法(extended finite element method,XFEM)对开挖卸荷过程岩体内部裂纹的起裂扩展进行了模拟,通过计算裂纹尖端应力强度因子研究了其起裂特征,并探讨了起裂影响因素,通过记录裂纹扩展形态研究了其动态演化模式.结果表明,卸荷过程中卸荷速率越快,裂纹长度越长,倾角越大,其起裂越容易;并且裂纹面受到的正应力不断减小,剪应力不断增大,裂纹扩展主要由剪应力控制,这与理论分析结果一致.裂纹最终扩展演化形态也与物理试验相近,充分表明运用扩展有限单元法研究岩体裂纹问题的可靠性.     

拉伸与低周疲劳载荷作用下夹杂物特征参数对航空用超高强度钢中裂纹萌生与扩展的影响

为了研究非金属夹杂物对航空用超高强度钢性能的影响,采用扫描电镜原位观测的方法,跟踪观察了拉伸和低周疲劳载荷作用下两种航空用超高强度钢中不同种类、形态和尺寸的夹杂物导致裂纹萌生与扩展的微观行为.结果表明,对于单个TiN和AlN夹杂,在拉伸载荷作用下,裂纹均首先在夹杂内部萌生.夹杂面积越大,夹杂内萌生的裂纹条数越多,第1条裂纹萌生所需的应力越小.在疲劳载荷作用下,对于单个TiN夹杂,裂纹也首先萌生于夹杂内部.但对于以点链状形式存在的AlN夹杂,无论是在拉伸还是疲劳载荷作用下,裂纹均首先在点链状夹杂内部两夹杂之间的母材中萌生,然后沿点链状夹杂向两侧扩展.以点链状形式存在的夹杂对材料疲劳性能的危害比单个夹杂严重得多,夹杂物对材料疲劳性能的危害远大于对拉伸性能的危害.     

疲劳裂纹萌生尺寸确定方法研究

以缺口件为研究对象 ,根据J积分理论 ,对Dowling法进行了改进 ,并根据疲劳非扩展裂纹的性质 ,给出裂纹萌生尺寸的定义 ,介绍疲劳裂纹萌生尺寸的确定方法     

应力与环境耦合条件下高强钢S135的疲劳行为北大核心CSCD

为评价应力与环境耦合(交变应力、腐蚀介质和温度耦合)对高强度钢S135疲劳性能的影响,探索应力与环境耦合对高强度钢S135疲劳的作用机制,测试了S135材料在空气中和不同温度下(25、40、60和80℃)有机盐钻井液中的疲劳寿命,分析了S135在有机盐钻井液中的腐蚀疲劳敏感性,并使用扫描电镜观察了不同温度下的断口形貌,研究了有机盐钻井液中S135腐蚀疲劳的断裂机理。结果表明,同一应力(低应力)水平下,随温度升高(25、40、60和80℃),腐蚀疲劳寿命逐渐降低,腐蚀疲劳敏感指数和温度敏感指数逐渐增加。研究认为,交变应力、腐蚀介质和温度耦合对S135材料疲劳有极大的影响,交变应力是疲劳失效的主要因素,腐蚀介质会使S135表面产生腐蚀坑,导致疲劳裂纹的萌生,温度通过加速腐蚀对疲劳破坏产生影响。     

Fatigue crack initiation and propagation in a quenched and tempered niobium bearing HSLA steel

The fatigue crack initiation and propagation behavior of a niobium bearing HSLA steel heat treated to give two tempered martensitic microstructures presumably with and without fine niobium carbides has been studied by light microscopy, electron microscopy, and strain gage measurements of plastic zone deformation. The high cycle, stress controlled fatigue life of the steel in both heat treated conditions was quite similar with the steel presumably containing the fine niobium carbides having slightly better resistance at low stress amplitudes. This slightly better high cycle resistance is associated with better resistance to fatigue crack initiation for this heat treatment. The fatigue crack propagation behavior of the steel was the opposite. The steel presumably containing the fine niobium carbides exhibited a much faster fatigue crack growth rate than that without them. The difference in growth rates is explained in terms of the plastic work expended during the propagation of the fatigue crack.     

铸造奥氏体不锈钢的疲劳裂纹扩展

用紧凑拉伸试样研究了载荷比、单峰过载和两步高-低幅加载对Z3CN20-09M铸造奥氏体不锈钢疲劳裂纹扩展速率的影响.当应力强度因子范围相同时,疲劳裂纹扩展速率随载荷比的增大而增大.单峰过载使裂纹扩展速率先有短暂的增加后长距离的减速扩展,出现裂纹扩展迟滞现象.两步高-低幅加载时,若两步的最大载荷不同,第二步裂纹扩展也会出现迟滞现象.用两参数模型和Wheeler模型能够预测恒幅载荷和变幅载荷下的疲劳裂纹扩展行为.     

钴和钼对高钴铬钼轴承钢组织及力学性能影响

通过性能测试和组织观察,研究了钴和钼两种元素对高钴铬钼轴承钢组织和力学性能的影响规律。结果表明,钴和钼元素质量分数降低及匹配改变会使试验钢的综合力学性能降低。试验钢的淬火及回火组织为板条马氏体+残余奥氏体,在钴和钼元素的影响下,Cr_(eq)、Ni_(eq)差值变大,致使试验钢组织中残余奥氏体减少,产生δ-铁素体。并且,碳化物由质量分数1.17%的颗粒状M6C改变成质量分数低于0.15%的针状M_2C。试验钢的强度主要受碳化物影响,而在碳化物质量分数低于0.15%时,w(Co)/w(Mo)的值越小,位错密度越高,则试验钢的强度越高。试验钢的韧性主要受δ-铁素体影响,δ-铁素体面积分数大于6.3%,则试验钢会产生脆性,面积分数小于1.1%则试验钢的韧性较好。     

温度对Z3CN20-09M不锈钢在含氯高温水中应力腐蚀行为的影响

研究了温度对核电用Z3CN20-09M不锈钢在含Cl的高温高压水中的应力腐蚀开裂行为的影响.材料的应力腐蚀开裂敏感性变化趋势与试验温度变化趋势并不一致.320℃时材料的应力腐蚀开裂敏感性最高,290℃时为最低,250℃时开裂敏感性介于两者之间.250℃和320℃条件下腐蚀后试样表面形成了内部致密、外部疏松的双层氧化膜,而在290℃条件下腐蚀后试样形成的是致密的单层氧化膜.大多数点蚀坑产生于铁素体相.应力腐蚀裂纹优先在点蚀坑底部或相界面形核,并倾向于沿相界面或向铁素体内部扩展.铁素体/奥氏体界面对应力腐蚀裂纹的作用取决于裂纹面与相界面的取向关系.当裂纹扩展方向平行于相界面时,裂纹易沿着相界扩展;当裂纹扩展方向垂直于相界面时,相界面对裂纹扩展起阻碍作用.