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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

82A和82B高强钢疲劳性能的试验研究

对某钢厂生产的82A和82B高强钢进行了高周疲劳性能试验研究,得到了这两种钢的疲劳应力-寿命曲线(S-N曲线)及疲劳强度。用扫描电镜对试样的疲劳断口进行了观察。结果显示,对夹杂物进行变性处理后的82A钢的疲劳裂纹大多从表面缺陷处萌生,而夹杂物没有变性处理的82B钢的疲劳裂纹则从非金属夹杂物及表面缺陷处萌生,且从内部非金属夹杂物处萌生的疲劳断口呈"鱼眼"特征。讨论了非金属夹杂物对高强钢疲劳性能的影响。     

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。     

夹杂物尺寸和暗光区尺寸对高强度钢千兆周期疲劳性能的影响

对SCM440和SUJ2钢进行了高达10^9次循环的千兆用期疲劳试验。千兆周期疲劳性能试验结果被分戍两组：由SCM440和二次熔炼SUJ2钢构成的一组显现出其疲劳强度高于由一次熔炼SUJ2钢构成的另一组。高疲劳强度组中的鱼眼状裂纹基本上起源于一种小的Al2O3夹杂物，而在低疲劳强度组中则完全起源于大的（Cr、Fe）3C夹杂。当夹杂物尺寸小于约10μm时，大体上暗光区尺寸随夹杂物尺寸下降而增加。当夹杂物尺寸超过10μm时，暗光区尺寸呈稳定状态。由于这种关系，当夹杂物尺寸非常小时，10^9次循环时疲劳极限与夹杂物尺寸无关。估计夹杂物尺寸在10～20μm之间时疲劳极限便失去与夹杂物尺寸的依存性。另一方面，当夹杂物尺寸超过上述尺寸时，疲劳极限取决于夹杂物尺寸及暗光区尺寸。暗光区和大夹杂物与小夹杂物相似，其△Kth取决于裂纹尺寸的1／3次方，这意味着疲劳极限取决于暗光区尺寸和大夹杂物尺寸的-1／6次方。     

高性能GCr15轴承钢中夹杂物控制与疲劳性能

GCr15轴承钢的冶炼工艺对钢的疲劳性能具有显著影响。研究了LF+VD、电渣重熔(ESR)和真空感应+真空自耗(VIM+VAR)冶炼工艺对钢中氧、氮、硫的质量分数和非金属夹杂物的分布特征以及疲劳性能的影响规律。结果表明,VIM+VAR冶炼钢中氧和氮的质量分数分别为0.000 5%和0.001 6%,夹杂物总数量仅为1.54个/mm~2。ESR冶炼钢中氧和氮的质量分数分别为0.001 8%和0.011 0%,夹杂总数量为17.78个/mm~2,夹杂物尺寸均小于13μm。LF+VD冶炼钢中硫的质量分数为0.002 6%,钢中硫和氧的质量比为3.7,夹杂总数量最多为20.73个/mm~2,大于13μm的夹杂物中CaS和CaS与Oxide复合夹杂比例较高。旋转弯曲疲劳试验结果表明,LF+VD、ESR和VIM+VAR冶炼钢的安全疲劳极限分别为980、1 164和1 158 MPa,引起疲劳破坏的夹杂物类型与制备工艺有关,LF+VD冶炼钢的夹杂物有CaS、CaS(Oxide)和CaO·Al_2O_3,ESR冶炼钢的夹杂物有Al_2O_3和CaO·Al_2O_3,VIM+VAR冶炼钢的夹杂物有TiN、MgO·Al_2O_3和CaS(Oxide)。依据真实应力因素和疲劳寿命,钢中夹杂物的危害程度由大到小依次为TiN、CaO·Al_2O_3、MgO·Al_2O_3、Al_2O_3、CaS(Oxide)和CaS,夹杂物类型和尺寸的不同导致了GCr15轴承钢安全疲劳极限的差异。     

铝合金疲劳裂纹形成机制

较详细地研究了LY12CZ铝合金的应变疲劳性能、疲劳裂纹生成区断口特征及疲劳位错组态。在高应力(变),尤其高拉伸脉冲应力条件,表面夹杂物开裂成为疲劳源;在低应变条件,裂纹在滑移线上形成并沿滑移带Ⅰ阶段扩展。提出了疲劳裂纹形成方式转变的唯象理论,解释了平均应力,夹杂物尺寸等因素对转变的影响。并以位错同微观组织相互作用的观点阐明了疲劳裂纹形成的原因。     

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%。     

稀土及热处理对GCr15轴承钢中夹杂物特征的影响

为降低夹杂物对轴承钢疲劳性能的危害,比较研究了稀土Ce及热处理对GCr15轴承钢中夹杂物的改性行为。研究发现：稀土处理使钢中夹杂物球化、平均尺寸降低,有助于降低铝脱氧轴承钢中夹杂物的危害;热处理(1 250℃)同样可以球化、细化钢中的夹杂物,夹杂物的平均尺寸、长宽比、面积分数随热处理时间(0～330 min)的增加均呈下降的趋势,继续延长热处理时间(330～510 min),铝脱氧轴承钢中大尺寸夹杂物比例增加,稀土轴承钢中球状Ce-Al-O-S均质夹杂转变为富Al相和富Ce相的非均质夹杂,对轴承钢疲劳性能危害大。在该研究条件下,铝脱氧轴承钢及稀土轴承钢热处理330 min时夹杂物特征最优。     

夹杂物对超高强度钢应力应变场的影响

非金属夹杂物对钢性能的影响与夹杂物的特征参数密切相关.首先分析拉伸和疲劳载荷下超高强度钢中TiN夹杂物导致裂纹萌生的扫描电镜原位观察结果,采用MSC Marc有限元分析软件对夹杂物及周围基体的应力场进行计算,然后对拉伸载荷下不同特征参数的TiN夹杂物及周围基体的应力应变场进行模拟.结果表明,有限元法能够解释并预测夹杂物及周围基体的力学行为.三角形夹杂物尖角附近的应力集中最严重.矩形夹杂物内部高应力区的位置受夹杂物与外载荷方向夹角的影响.随邻近夹杂物间距的增大,基体内的最大应力由夹杂物外侧移至夹杂物之间.近表面夹杂物使得基体自由表面附近出现高应力区,基体内最大应力的位置受夹杂物与自由表面距离和尺寸的影响.