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  2. 金屬所《Scripta Mater》:夾雜物類型對高強(qiáng)鋼高周疲勞性能影響!
    2022-03-24 14:23:42 作者:材料科學(xué)與工程 來源:材料科學(xué)與工程 分享至:

     高強(qiáng)度鋼的疲勞性能不僅與夾雜物的尺寸有關(guān),還與夾雜物的類型有關(guān),疲勞失效很可能來源于非金屬夾雜物。目前,冶金技術(shù)可以將氧、氮、硫等有害元素控制在10ppm以下,將夾雜物尺寸控制在1μm以下,這是一個費(fèi)時(shí)費(fèi)力、生產(chǎn)成本高的過程。提高鋼的純凈度,可以通過降低鋼中夾雜物的尺寸,有效地改善鋼的疲勞性能。因此,夾雜物尺寸對疲勞性能的定量影響被廣泛研究。而以往的研究側(cè)重于包裹體的大小,缺乏對包裹體類型的定量研究。不同類型夾雜物對疲勞性能的影響存在顯著差異,不容忽視。然而,以往對包裹體類型的研究還不夠深入,主要是定性研究,如考慮基體與不同包裹體類型模量的差異等。因此,定量研究不同類型夾雜物對高強(qiáng)鋼疲勞性能的影響,是指導(dǎo)冶金工作者合理經(jīng)濟(jì)地控制不同夾雜物尺寸的必要手段。


    中科院金屬研究所張哲峰團(tuán)隊(duì)探討了不同類型夾雜物對高強(qiáng)鋼高周疲勞斷裂行為的影響,明確了不同夾雜物引起疲勞開裂的模式。相關(guān)論文以題為“Effects of inclusion types on the high-cycle fatigue properties of high-strength steel”發(fā)表在Scripta Materialia。

    論文鏈接:

    https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114232


    本文采用電渣重熔制備Fe-0.99C-1.53Cr-0.36Mn-0.31Si-0.02Mo-0.008P-0.003S合金。拉伸和疲勞試樣加工后進(jìn)行850℃×30min(油淬)和回火處理160℃×2h。

    研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)試樣,疲勞裂紋主要來源于夾雜物,疲勞失效源的夾雜物主要是氮化物(TiN)和氧化物(Al2O3),應(yīng)力比R=0.1時(shí)的疲勞極限為547MPa。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,80%的裂紋由TiN引起,17.5%裂紋由Al2O3引起。TiN引起裂紋的夾雜物尺寸為9-14μm,遠(yuǎn)小于Al2O3的15-19μm,說明即使TiN的夾雜物尺寸小于Al2O3,仍能引發(fā)軸承鋼的疲勞裂紋,這與一般高強(qiáng)鋼疲勞裂紋主要來源于最大夾雜物尺寸的報(bào)道不一致,隨著夾雜物尺寸的減小,Al2O3引起疲勞破壞的次數(shù)顯著增加,而TiN在不同循環(huán)應(yīng)力幅值下的疲勞壽命數(shù)據(jù)具有較大的彌散性。


    圖1 軸承鋼的S-N曲線、疲勞裂紋來源百分比以及疲勞強(qiáng)度結(jié)果


    圖2 疲勞失效源處夾雜物的SEM圖和疲勞裂紋模式示意圖


    圖3 夾雜物的類型、大小、分布


    圖4 (a) 應(yīng)力強(qiáng)度因子與疲勞壽命的關(guān)系;(b) 不同夾雜物的形狀示意圖;(c) 疲勞壽命與考慮夾雜物類型的修正強(qiáng)度因子之間的關(guān)系;(d)疲勞壽命的實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測值

    綜上所述,通過開展高周疲勞試驗(yàn),定性和定量地探討了夾雜物類型對軸承鋼疲勞壽命的影響。由于夾雜物的彈性模量不同,不同形狀夾雜物表現(xiàn)出不同的疲勞開裂模式。對于球形氧化物夾雜,軸承鋼疲勞裂紋出現(xiàn)在基體與Al2O3的界面上,證明該界面是疲勞性能的短板。對于立方氮化物夾雜物,疲勞裂紋從TiN內(nèi)部開始,表明TiN是薄弱環(huán)節(jié)而不是TiN與基體之間的界面。由于夾雜物形狀的不同,不同類型夾雜物的疲勞開裂模式也不同,因此其疲勞性能也存在較大差異。為了更好地描述夾雜物類型對軸承鋼疲勞性能的影響,首次建立了夾雜物類型因子,簡單地統(tǒng)一了夾雜物的大小和類型對應(yīng)力強(qiáng)度因子和疲勞壽命的影響。本文結(jié)果區(qū)分了夾雜物類型對高強(qiáng)鋼疲勞性能的影響,以及夾雜物類型對高強(qiáng)鋼冶金中微量元素控制的作用。

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