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中碳Si-Mn系高强度TRIP钢高周疲劳破坏行为研究

班丽丽  
【摘要】:机械构件因疲劳破坏而屡屡发生事故,因而研究材料的疲劳强度以提高机械构件的使用寿命及其使用可靠性有着重要意义。在传统钢铁材料尤其是高强度结构钢中,提高其强度往往会使塑性下降,而TRIP钢作为新一代开发的钢种可兼具高强度和高塑性的优良性能。然而,传统的TRIP钢多为中低碳的Si-Mn系低合金钢,由于其强度水平较低,仍不能’用于高强度或超高强度的机械零件上 对此,本文通过成分设计及热处理工艺优化,得到了一种强度、塑性和韧性优化配置的新钢种,首次提出把TRIP现象活用于1000MPa级以上的机械制造用钢中,以期提高钢的强度的同时,提高钢的疲劳寿命。 本文主要采用旋转弯曲疲劳和裂纹扩展速率实验,比较系统地研究了中碳Si-Mn系高强度TRIP钢(0.4C-1.5Si-1.5Mn)的两种组织状态[等温淬火(AT)组织和淬火回火(QT)组织]在两种强度水平(1100 MPa级和1300 MPa级)下的高周疲劳破坏行为,通过疲劳裂纹的原位观察对其疲劳破坏机制进行了理论探讨,并与调制处理的中碳高强度合金钢42CrMo进行了对比。 对实验钢常规力学性能的研究结果表明,TRIP钢QT样的常规力学性能随回火温度的变化与一般中碳钢基本一致,AT样的力学性能则受奥氏体化温度、等温温度以及等温时间的影响显著,即随着奥氏体化温度的升高,AT样的强度下降,塑性逐渐增加,但韧性却降低;随等温温度的升高,强度降低,塑性和韧性则呈现先增加后降低的趋势;随着等温时间的延长,强度降低而塑性和韧性显著提高。此外,经900℃奥氏体化及随后的400℃盐浴等温处理600 s可获得强度、塑性和韧性具有良好配合的多相组织,其残余奥氏体含量高达19%,具有明显的TRIP效应。此外,AT样与相同抗拉强度水平的QT样相比,其屈服强度明显低于后者,而塑性明显高于后者。 对实验钢的旋转弯曲疲劳实验结果表明,两种强度水平(1100 MPa和1300 MPa)的AT样,其疲劳强度和疲劳寿命均明显高于QT样和和调质处理的42CrMo钢,即具有多相组织的AT样具有优异的高周疲劳性能。但在1300 MPa级的强度水平下,AT样与QT样疲劳强度间的差异没有1100 MPa级时明显。在两种强度水平下,AT样的疲劳强度与抗拉强度之比均可高达0.56,明显高于相同强度水平的QT样的0.51和用作对比的42CrMo钢的0.50。对疲劳断口的分析表明,在两种强度水平下实验钢的AT样和QT样均起源于试样表面基体,而同强度的42CrMo样除起源于表面基体外,部分还起源于表层夹杂物,其疲劳裂纹萌生于钢中夹杂物还是组织缺陷处,二者存在一个竞争机制。 对疲劳试样疲劳塑性区的TEM观察表明,两种强度水平(1100 MPa级和1300 MPa级)的AT样,经疲劳实验后在塑性区中存在各种形貌的马氏体组织,很少观察到残余奥氏体。对疲劳实验前后试样中残余奥氏体含量的测定结果表明,1100 MPa级的AT样约有4%的残余奥氏体在疲劳应力的作用下转变为马氏体,而1300 MPa级的AT样约有2%的残余奥氏体发生转变。这表明在疲劳循环应力作用下,AT样发生了TRIP效应,且在较低强度水平下的TRIP效应更为明显 疲劳裂纹扩展速率实验结果表明,两种强度水平下的AT样的疲劳裂纹扩展速率da/dN均明显小于QT样,同样说明AT样的疲劳性能优于QT样。但1300 MPa级AT样的速率在裂纹终止阶段与QT样的差异很小,即随着强度水平增加,AT样和QT样疲劳裂纹扩展速率之间的差异变小。 不同强度下AT样的疲劳裂纹扩展原位观察表明,高强度TRIP钢的断裂机理受多相组织,尤其是软相(残余奥氏体和下贝氏体)的分布、尺寸、相对数量,以及残余奥氏体的转变率的影响最为显著。疲劳裂纹主要萌生于塑性应变集中之处,并沿着上贝氏体与软相的相界面扩展,主裂纹末端都终止于裂纹前沿的残余奥氏体处。裂纹扩展方向对软相的选择性、多相组织大量晶界和相界对裂纹扩展的阻力,以及较长的二次裂纹的萌生及扩展均会消耗大量的扩展能,从而降低主裂纹的扩展速率。


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