GCr15钢旋转弯曲超长寿命疲劳性能分析

轴承钢GCr15旋转弯曲超长寿命疲劳实验获得的应力-寿命(S-N)曲线数据分散性较大且呈连续下降趋势,不能用台阶下降的S-N曲线描述.断口分析表明,在高应力幅区疲劳破坏主要起始于试样表面的加工划痕或夹杂物;随着应力幅的降低,疲劳破坏主要起始于试样内部的夹杂物.内部破坏均带有鱼眼特征,大部分的内部夹杂物周围带有颗粒亮区(GBF区).夹杂物尺寸的较大分散程度和小尺寸夹杂物的簇集是引起GCr15钢疲劳寿命分散性较大的因素.使用推定的GBF区成长率能够定量分析夹杂物尺寸对疲劳寿命分散程度的影响.

高碳铬轴承钢的超长寿命疲劳行为的研究

使用砂漏型试样对高碳铬轴承钢的S-N曲线特性和破坏机理进行了研究。通过旋转弯曲疲劳试验获得的S-N曲线按照破坏模式的不同被划分为裂纹萌生位置不同的两组。一组叫做表面破坏模式的S-N曲线,它发生在高应力幅短寿命区,是由试样表面晶体滑移引起的。另一组叫做内部破坏模式的S-N曲线,它发生在低应力幅长寿命区,是由试样内部的非金属夹杂引起的。由于内部破坏模式的疲劳破坏发生在表面破坏模式的疲劳极限上下很宽的应力幅范围,因此,试验材料的S-N曲线的形状与通常报道的阶梯形状的S-N曲线的形状不同,它具有两条S-N曲线的特性。通过对断口上裂纹萌生位置的详细观察和裂纹萌生位置的初期尺寸参数的计算,阐述了内部破坏模式的破坏机理,提出了基于尺寸参数的超长寿命疲劳极限的推定方法。

SUJ2轴承钢超长寿命疲劳行为研究

采用超声疲劳试验机研究SUJ2轴承钢的超长寿命疲劳。结果表明:对于复合氧化物和TiCN裂纹源,裂纹从夹杂物与基体界面处萌生;铁、铬合金碳化物裂纹源则为夹杂物本身开裂。颗粒状亮面(GBF)相对尺寸正比于裂纹源处夹杂物边缘的应力强度因子范围1/ΔK2inc,对于本实验的SUJ2材料,当ΔKinc>8MPa·m1/2时GBF不再形成。通过数据拟合得到了GBF内裂纹扩展规律:area^(1/2)_(GBF)/area^(1/2)_(inc)=(m_1+m_2N_f)^(m_0),证实了Paris公式可以用来描述GBF内的裂纹扩展。

高碳铬轴承钢超长寿命疲劳破坏过程的研究

研究了高碳铬轴承钢超长寿命疲劳的破坏过程.结果表明,在超长寿命区,约在疲劳寿命的5%—10%时疲劳裂纹首先在内部夹杂物处萌生,由于夹杂物周围的球形碳化物开始从基体剥离,在夹杂物周围形成许多不连续的微小裂纹.然后,相邻的微小裂纹相互连接,直到疲劳寿命的90%以上,裂纹开始连续扩展.

深层滚压加工对高碳铬轴承钢超长寿命疲劳行为的影响

深层滚压加工对高碳铬轴承钢超长寿命疲劳行为的研究表明:与深层滚压加工前相同,在高应力幅短寿命区,疲劳裂纹萌生于试佯表面;由于表面压缩残余应力的影响,疲劳强度有所提高．在低应力幅长寿命区,疲劳裂纹萌生位置从未经深层滚压加工试样的次表面向深层滚压加工试样内部没有压缩残余应力和硬化层的位置转移;因弯曲应力梯度的影响,疲劳强度有了较大的提高．深层滚压加工可以提高高碳铬轴承钢在超长寿命区的旋转弯曲疲劳强度．

GCr15钢超长寿命疲劳破坏的机理

通过对试样断口的观察、断裂力学分析以及FRASTA仿真的方法，研究了GCr15钢在旋转弯曲加载下超长寿命疲劳破坏的机理，阐述了其内部裂纹萌生和扩展的力学条件，建立了颗粒状白色区域（GBF）的形成机理模型。结果表明：GCr15钢的内部破坏是由材料内部的非金属夹杂物引起的，并且在夹杂物的周围伴有GBF的形成，整个内部裂纹具有典型的“鱼眼”形貌特征；内部起裂是超长寿命疲劳破坏的典型特征。GBF的应力强度因子幅值△KGBF（4～6MPa·m^1／2）是控制内部裂纹扩展的临界参数，并且其形成过程占据了超长寿命疲劳过程的绝大部分。

研磨加工层对高碳铬轴承钢超长寿命疲劳行为的影响

为了阐明磨石研磨加工层对高碳铬轴承钢JIS SUJ2超长寿命疲劳行为的影响,分别使用经砂纸研磨和电解研磨的砂漏形试样,在室温空气环境下进行旋转弯曲疲劳试验。砂纸研磨试样被除去部分磨石研磨层,电解研磨试样被除去了全部的磨石研磨层。结果表明,两种试样的S-N曲线由位于短寿命区的表面破坏模式和位于长寿命区的内部破坏模式的两条组成,表面破坏模式的S-N曲线受表面粗糙度和表面压缩残余应力的影响。内部破坏模式的S-N曲线不受表面条件的影响,是材料固有的特性。砂纸研磨试样表面破坏模式的疲劳极限最高,是电解研磨试样1．11倍和磨石研磨的1．20倍。表面压缩残余应力对表面破坏模式疲劳极限的影响可以用修正Goodman图表示。还讨论裂纹的萌生和扩展条件,推定超长寿命的疲劳极限。

加载频率对钢铁材料超长寿命疲劳性能的影响

使用82 Hz轴向加载疲劳试验机和20 kHz非间歇式加载的超声疲劳试验机,对比研究了超声加载频率对轴承钢GCr15和35CrMo超长寿命疲劳性能的影响。断口观察表明:82 Hz轴向加载和20 kHz超声加载的GCr15试样,在全应力幅范围既发生表面破坏又发生由夹杂物引起的内部破坏;而35CrMo试样在两种频率下均为表面裂纹破坏,GCr15在超声加载的条件下应力强度因子要比82Hz轴向加载的试样小。根据寿命数据比较,超声加载频率提高了试样的疲劳寿命。

高速铁路关键材料超长寿命疲劳断裂性能

利用压电超声频率加速疲劳实验方法对钢轨钢、轴承钢及铝合金共7种高速铁路用材料进行测试。实验证明了超长寿命疲劳裂纹往往从材料内部夹杂生产的机制;而且,试件在超过107次、甚至109次应力循环后仍然继续发生破坏。由此可见,这些高速铁路材料并没有传统规范中所谓的疲劳极限,而只有疲劳强度。因此,只用107次循环以内的数据作为高速铁路材料疲劳设计的依据是危险的。

金属材料超长寿命疲劳行为及其微结构敏感性

高速列车、航空航天、核电等国家重大工程与装备的高速发展,促使关键部件需具备在超高周次条件(107~109周次)下的高可靠性与安全性.近30年的材料超长寿命疲劳研究发现,疲劳裂纹萌生与小裂纹扩展在疲劳失效过程中有着至关重要的作用,并且其发展演化过程与材料微结构有极大的相关性.从疲劳强度、疲劳裂纹萌生与小裂纹扩展的微结构敏感性3个方面对近年来最新实验与研究成果进行阐述,分析金属材料微结构性质、形态、分布等特征下的超长寿命疲劳行为与失效机理,为新型抗疲劳材料的设计与研发提供基础性依据.

超长寿命疲劳破坏行为的可靠性研究

为了进行超长寿命疲劳破坏行为的可靠性研究,对GCr15钢超长寿命疲劳S-N试验数据进行了统计评估,采用Bansqun模型描述了其S-N曲线关系,建立了其概率S-N曲线模型,并采用SEV方法和Murakami方程分别预测了钢中最大夹杂尺寸和其相对应的疲劳强度。结果表明:其超长寿命疲劳S-N数据能较好地服从三参数威布尔分布,其概率S-N曲线形式都呈现持续下降的趋势;在验证了最大夹杂尺寸服从Gumbel分布的基础上,SEV方法预测的最大夹杂尺寸随着钢体积的增大而线性增加,Murakami方程预测的结果揭示了其概率S-N曲线呈现持续下降的原因。

中科院金属所“超长寿命疲劳裂纹萌生机理与寿命预测”项目获奖

中国科学院金属研究所参与完成的项目“超长寿命疲劳裂纹萌生机理与寿命预测”获得国家自然科学奖二等奖。该项目在超长寿命疲劳领域进行了20多年深入的实验和理论研究,建立了具有自主知识产权的超声频率疲劳加速实验方法及其系统,提出了超长寿命疲劳裂纹内部萌生的破坏机制,建立了超长寿命疲劳总寿命和裂纹萌生寿命预测模型。8篇代表性论文均位列国际疲劳领域极高影响论文,成果被著名学者发表的论文引用并高度评价。

高速工具钢的超长寿命S-N曲线特征和内部裂纹萌生行为

为了研究高速工具钢超长寿命S-N曲线特征和内部裂纹萌生行为,使用沙漏形状试样在室温空气环境下进行旋转弯曲的疲劳试验。结果表明,材料的S-N曲线均由表面裂纹萌生型和内部裂纹萌生型组成。表面裂纹萌生型的S-N曲线位于高应力幅短寿命区,内部裂纹萌生型的S-N曲线位于低应力幅长寿命区。前者的S-N曲线向后者的转移几乎是连续的,回火温度对疲劳强度和寿命没有明显的影响。分别使用扫描电子显微镜、扫描探针显微镜和电子探针X射线微区分析仪对内部裂纹萌生位置和材料组织进行对比观察,在萌生内部裂纹的夹杂物周围存在一个颗粒区域,该区域内凸起的颗粒是组织中的球形碳化物。颗粒区是在内部裂纹扩展的应力强度因子门槛值范围以下形成的,对超长寿命疲劳起着重要的作用。

诱发Cr-Ni-W钢内部失效的夹杂尺寸评估及强度预测

鉴于非金属夹杂诱发Cr-Ni-W高强度钢超长寿命(>107周次)内部疲劳失效的行为,使用4种统计方法(statistics of extreme values,SEV;generalized extreme values,GEV;generalized Pareto distribution,GPD;exponential generalized Pareto distribution,EXPGPD)对其特征夹杂尺寸进行了评估,并基于Murakami方程预测了其超长寿命疲劳强度。结果表明,SEV和EXPGPD预测的夹杂尺寸会随钢体积的增加而无限增大,而GPD和GEV预测的尺寸会逐渐增加并趋于一定值,其中EXPGPD和GPD分别给出了其上下限值。与实验寿命等于108的结果相比较,基于EXPGPD方法的疲劳强度预测结果偏低,而其它方法的预测结果均偏高;从抗疲劳断裂角度出发,对于体积大于1 mm3的Cr-Ni-W钢而言,采用基于EXPGPD方法的夹杂尺寸评估和强度预测是适合的。