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Mn-Si-Cr系贝/马复相高强钢超高周疲劳行为及机理研究

于洋  
【摘要】:本论文以973新一代钢铁材料重大基础研究项目“提高钢铁质量和使用寿命的冶金学基础研究”的子课题“长寿命贝/马复相高强高韧钢的研究”为主要工作内容,以新型Mn-Si-Cr系列贝/马复相高强钢为研究对象,采用超声疲劳实验方法,系统研究了该系高强钢的超高周疲劳行为、断裂机理及裂纹扩展行为。 论文设计并试制成功新型Nb微合金化细晶Mn-Si-Cr贝/马复相高强钢,建立了该钢种的加工图并以电接触加热循环相变细化方法获得5μm左右的细晶组织;其抗拉强度约1500-1700MPa、冲击韧性90-100J,具有优良综合力学性能。该钢种在108周次下的超高周疲劳强度约为760MPa,实现了973课题“使钢在原疲劳强度不变的情况下,寿命从10~7周次提高到108周次以上”的任务目标。 借助超声疲劳实验技术(加载频率20KHz),本论文系统研究了5种成分、10种不同组织类型的贝/马复相钢的超高周疲劳行为。通过合金成分及组织设计,论文工作系统研究了实验条件和组织均匀化、组织纯净化、组织细化及残留奥氏体量对该系高强钢超高周疲劳行为的影响。研究表明组织均匀化与组织纯净化对于提高材料的超高周疲劳性能同样重要。在大量研究的基础上,论文首次定义了贝/马复相钢超高周疲劳性能的组织敏感性及夹杂物敏感性的概念,提出了二者对超高周疲劳行为与性能的“竞争控制”机制,明确了贝/马复相钢中出现夹杂起裂与非夹杂起裂的规律,提出物理冶金与化学冶金配合获得最优超高周疲劳性能的理念。 研究还发现,贝/马复相组织中的夹杂物相对其他高强钢中的而言对超高周疲劳加载的敏感性低,非夹杂起裂是该系高强钢超高周疲劳破坏的主要形式之一。研究工作通过类比论证的方法证实了非夹杂起裂的软相起裂机制,首次定义了非夹杂起裂“ODA”区的概念,并将其与夹杂物起裂的ODA区进行了对比。 该系贝/马复相高强钢具有独特的精细组织结构,贝/马复相组织与残留奥氏体配合,可以明显提高疲劳裂纹扩展的门槛值△K_(th)、降低裂纹扩展速率da/dN。但是,膜状残留奥氏体量的多少对贝/马复相钢的超高周疲劳性能影响不大。


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