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夹杂物对超高强度钢微观破坏机制的研究

梁锋  
【摘要】: 随着世界经济的发展,钢铁材料以高强、高韧、轻量、高功能化为目标进行着研究,在众多领域要求实现钢材的高强度化,可以说对于21世纪的钢铁材料来说,高强度化是一个大的发展领域。 但是由于熔炼原料不纯或处理不当等一些冶炼原因,金属材料中总是或多或少的存在一些夹杂物(硬质或软质)。而在金属材料中即使存在很少量的夹杂物,也足以影响金属材料的性能,降低材料的质量尤其是使材料的关键力学性能指标——低周疲劳寿命大大降低。大量实验观察表明,硬质夹杂物是超高强度钢主要的裂纹萌生源。因此,研究高强度钢中夹杂物对钢的性能的影响就显得尤为重要。 本文研究利用带有高清晰度扫描电子显微镜(SEM)的液压伺服疲劳试验机,对含有不同形状和大小的夹杂物的超高强度钢MA250和GE1014进行了原位观测实验研究。主要研究了的微观、瞬态时夹杂物附近裂纹生长行为和断裂机理。试验中不仅考察不同形状,大小夹杂物对超高强度钢的裂纹萌生与扩展行为的影响,还研究了不同载荷类型下的裂纹萌生与扩展行为,尤其是疲劳载荷下的夹杂物对疲劳裂纹萌生与扩展的影响。比较了夹杂物长轴平行加载方向时和垂直加载方向时裂纹不同的萌生位置及起因。在我们的大量试验结果中(薄试样、低周疲劳),超高强度钢夹杂物对疲劳裂纹萌生与稳态扩展的关键尺寸是10μm-20μm。疲劳裂纹萌生有三种基本形式:夹杂物开裂、夹杂物和基底材料的脱裂以及基底材料中滑移线上的开裂。微观结构很大程度上影响了微小裂纹的萌生与初始扩展,而外加载荷则决定了微小裂纹的稳态扩展阶段。 本文还通过对各种情况下的断裂断口形貌特征进行了分析,比较了表面观察结果到疲劳失效过程和内部失效过程中的各种异同。这对了解超高强度钢的整个疲劳行为来说是一个很重要的内容。本文利用有限元方法粗略地对不同大小,形状的夹杂物对疲劳裂纹的影响进行了模拟计算,并与实验结果进行了对比。


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