低碳马氏体钢多层次组织对疲劳损伤行为的影响机制研究
发布时间：2021-04-10 02:56
随着科技的迅猛发展,对材料性能,特别是材料的高强韧性、长疲劳寿命以及高的延迟断裂抗力提出了更高的要求。大多数的金属材料具有多层次的微观结构,如双相钛合金、金属间化合物、马氏体钢、贝氏体钢、高熵合金等先进金属材料,揭示这些材料复杂微观结构中每一层次组织对力学性能的影响,具有重大的工程实用价值和科学研究意义。低碳马氏体钢具有典型的多层次组织,被广泛应用于生产齿轮、轴承等结构件,其疲劳性能关系到马氏体构件的使用安全和寿命,因此研究循环载荷下板条马氏体多层次组织对疲劳损伤机制的影响具有重要意义。本文以20CrNi2Mo钢为研究对象,通过在900℃、1100℃、和1200℃淬火获得了原奥氏体晶粒、马氏体束、马氏体块和马氏体条尺寸参量不同的多层次组织。借助单向等轴拉伸实验、紧凑拉伸实验和超高周疲劳实验,结合OM、SEM、EBSD、FIB、LSCM、TEM、XRD等表征技术,系统研究了多层次组织对板条马氏体钢疲劳裂纹萌生和扩展的影响机制,阐明了控制板条马氏体钢强度、塑性、疲劳裂纹门槛值、裂纹扩展阻力、裂纹萌生及早期扩展寿命的组织结构单元。研究结果为具有类似微观结构合金的组织设计、性能优化和服役可靠性...
【文章来源】：昆明理工大学云南省
【文章页数】：158 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
金属材料及其多层次组织
昆明理工大学博士学位论文3会显著降低裂纹的扩展寿命。图1.2金属材料和合金疲劳损伤的发展过程[3]Figure1.2ThefatiguedamageprocessfromMetalmaterialsandalloys因此，金属材料的疲劳损伤行为包含了裂纹的萌生和裂纹的扩展两个阶段，对于材料疲劳损伤的研究也应该聚焦于裂纹的萌生和裂纹的扩展两个方面。1.2.1小裂纹的萌生和扩展行为在美国材料实验学会在颁布的ASTM-E647-11《StandardTestMethodforMeasurementofFatigueCrackGrowthRates》[6]标准中，小裂纹(smallcrack)指的是几何尺寸(对表面裂纹而言,同时包括它的长度和深度)与微观结构尺度、连续介质力学尺度或物理尺度比较均是较小的裂纹，也有部分文献用短裂纹进行描述。此外，在短裂纹的扩展过程中，根据短裂纹长度和裂纹尖端塑性区尺寸的大小,短裂纹也可被细分成微观组织短裂纹、力学短裂纹和物理短裂纹[7,8]。显微组织短裂纹(microstructurally-shortcracks)指的是裂纹尺寸小于或等于材料微观组织尺度的裂纹，而力学短裂纹(mechanically-shortcracks)指的是长度小于或等于裂纹尖端塑性区尺寸的裂纹；物理短裂纹(physically-shortcracks)指的是尺寸明显超过了显微组织特征尺寸或者局部塑性区尺寸的裂纹，长度一般小于1~2mm。很多情况下，学者们也将短裂纹分为与微观结构相关的微观短裂纹和与微观结构无关的物理短裂纹两种。短裂纹(裂纹)的萌生是局部塑性应变集中引起的，应变集中区域内塑性塑性失稳导致了裂纹萌生。由于材料的表面处于两向应力状态，裂纹易于萌生在金属表面，而对于塑性较好的纯金属(铝、铜)、单相合金、某些非沉淀强化的高强度合金(TC4)、无夹杂或表面质量较好的材料，裂纹通常萌生于滑移带、晶界或者相界处。Hansson[10]和Bjerkén等人[11]的
和Laird[14]认为晶内交滑移属性和晶界滑移协调性是影响晶界裂纹萌生的主要原因，且晶界裂纹是由晶界处形成的小台阶发展演变而来的，因此提出了晶界形核的台阶机制。Mughrabi[15]则提出PSB-GB(Grainboundary)交互作用的形核机制。对于强度较高的工业合金，短裂纹通常萌生在夹杂物或第二相粒子附近。大量研究表明，在高强度的钢中，裂纹通常萌生于非金属夹杂物或者析出物附近，且夹杂或析出物的尺寸大于临界尺寸后裂纹才能萌生，小夹杂物不会影响裂纹的萌生，但会影响裂纹扩展，这种尺寸效应与高强钢的缺口敏感性相关。图1.3界面裂纹的形成机制[9]Figure1.3Theformationmechanismofinterfacecrack小裂纹扩展反映的是裂纹萌生后的初始扩展行为。很长一段时间，人们并没有意识到短裂纹和长裂纹扩展过程中的差异性，多数情况下并不区分短裂纹和长裂纹。1975年，Pearson[5]发现应力强度因子幅值相同时，在沉淀硬化铝合金中长度0.5mm以下的裂纹其扩展速率比几十个毫米长裂纹的扩展速率要快几百倍，短裂纹扩展与长裂纹扩展存在很大的差异性，之后人们对短裂纹的扩展行为开展了大量实验研究。材料微观组织结构在几何和结构上的不连续性(如晶界、相界和沉淀相等)，是导致短裂纹和长裂纹扩展特性不同的主要原因。对于长度相当于几个晶粒尺寸的微观裂纹，微观结构会影响裂尖滑移带的运动、裂纹扩展过程中的微观塑性、闭合效应大小，因此微观结构的各向异性和不连续性必然会影响裂纹的扩展行为，使得短裂纹扩展时表现出与长裂纹扩展不同的特性，如短裂纹的扩展速率分
【参考文献】：
期刊论文
[1]合金材料超高周疲劳的机理与模型综述[J]. 洪友士,孙成奇,刘小龙. 力学进展. 2018(00)
[2]热处理工艺对50CrVA高强弹簧钢超高周疲劳损伤机制的影响[J]. 周蒙蛟,王弘,汪奔. 材料研究学报. 2016(12)
[3]利用局域取向差衡量变形金属中的位错密度[J]. 孟杨,任群,鞠新华. 材料热处理学报. 2014(11)
[4]航空发动机结构完整性研究进展[J]. 李其汉. 航空发动机. 2014(05)
[5]应力比对25Cr2Ni2MoV钢焊接接头近门槛值区疲劳裂纹扩展曲线转折点的影响[J]. 杜彦楠,朱明亮,轩福贞. 机械工程学报. 2015(08)
[6]微观组织对贝氏体钢疲劳裂纹扩展行为的影响[J]. 唐荻,杨柳,武会宾,郑宏伟,蒋金星,刘丽华. 材料科学与工艺. 2013(06)
[7]疲劳裂纹扩展门槛值的影响因素综述[J]. 吴健栋,蔡志鹏,潘际銮,刘霞,乔尚飞,王朋,霍鑫,沈红卫. 热力透平. 2013(02)
[8]利用EBSD技术分析低应变量形变显微组织[J]. 刘廷光,夏爽,茹祥坤,杨辉辉,李慧,白琴. 电子显微学报. 2011(Z1)
[9]轨道车辆轮对的关键力学问题及研究进展[J]. 赵永翔,高庆,张斌,刁克军. 固体力学学报. 2010(06)
[10]微观组织对2E12铝合金疲劳裂纹扩展的影响[J]. 闫亮,杜凤山,戴圣龙,杨守杰. 中国有色金属学报. 2010(07)
博士论文
[1]贝/马复相钢超高周疲劳行为及非夹杂起裂机理研究[D]. 赵平.清华大学 2016
[2]LZ50车轴钢的随机疲劳短裂纹行为研究[D]. 杨冰.西南交通大学 2011
[3]马氏体塑性变形制备纳米晶粒钢及其组织性能的研究[D]. 高聿为.燕山大学 2007
[4]40Cr、50车轴钢超高周疲劳性能研究及疲劳断裂机理探讨[D]. 王弘.西南交通大学 2004
[5]材料疲劳裂纹扩展和断裂定量规律的研究[D]. 王泓.西北工业大学 2002
硕士论文
[1]C35钢疲劳裂纹张开力的确定方法研究[D]. 董耀锋.上海交通大学 2014
本文编号：3128819
【文章来源】：昆明理工大学云南省
【文章页数】：158 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
金属材料及其多层次组织
昆明理工大学博士学位论文3会显著降低裂纹的扩展寿命。图1.2金属材料和合金疲劳损伤的发展过程[3]Figure1.2ThefatiguedamageprocessfromMetalmaterialsandalloys因此，金属材料的疲劳损伤行为包含了裂纹的萌生和裂纹的扩展两个阶段，对于材料疲劳损伤的研究也应该聚焦于裂纹的萌生和裂纹的扩展两个方面。1.2.1小裂纹的萌生和扩展行为在美国材料实验学会在颁布的ASTM-E647-11《StandardTestMethodforMeasurementofFatigueCrackGrowthRates》[6]标准中，小裂纹(smallcrack)指的是几何尺寸(对表面裂纹而言,同时包括它的长度和深度)与微观结构尺度、连续介质力学尺度或物理尺度比较均是较小的裂纹，也有部分文献用短裂纹进行描述。此外，在短裂纹的扩展过程中，根据短裂纹长度和裂纹尖端塑性区尺寸的大小,短裂纹也可被细分成微观组织短裂纹、力学短裂纹和物理短裂纹[7,8]。显微组织短裂纹(microstructurally-shortcracks)指的是裂纹尺寸小于或等于材料微观组织尺度的裂纹，而力学短裂纹(mechanically-shortcracks)指的是长度小于或等于裂纹尖端塑性区尺寸的裂纹；物理短裂纹(physically-shortcracks)指的是尺寸明显超过了显微组织特征尺寸或者局部塑性区尺寸的裂纹，长度一般小于1~2mm。很多情况下，学者们也将短裂纹分为与微观结构相关的微观短裂纹和与微观结构无关的物理短裂纹两种。短裂纹(裂纹)的萌生是局部塑性应变集中引起的，应变集中区域内塑性塑性失稳导致了裂纹萌生。由于材料的表面处于两向应力状态，裂纹易于萌生在金属表面，而对于塑性较好的纯金属(铝、铜)、单相合金、某些非沉淀强化的高强度合金(TC4)、无夹杂或表面质量较好的材料，裂纹通常萌生于滑移带、晶界或者相界处。Hansson[10]和Bjerkén等人[11]的
和Laird[14]认为晶内交滑移属性和晶界滑移协调性是影响晶界裂纹萌生的主要原因，且晶界裂纹是由晶界处形成的小台阶发展演变而来的，因此提出了晶界形核的台阶机制。Mughrabi[15]则提出PSB-GB(Grainboundary)交互作用的形核机制。对于强度较高的工业合金，短裂纹通常萌生在夹杂物或第二相粒子附近。大量研究表明，在高强度的钢中，裂纹通常萌生于非金属夹杂物或者析出物附近，且夹杂或析出物的尺寸大于临界尺寸后裂纹才能萌生，小夹杂物不会影响裂纹的萌生，但会影响裂纹扩展，这种尺寸效应与高强钢的缺口敏感性相关。图1.3界面裂纹的形成机制[9]Figure1.3Theformationmechanismofinterfacecrack小裂纹扩展反映的是裂纹萌生后的初始扩展行为。很长一段时间，人们并没有意识到短裂纹和长裂纹扩展过程中的差异性，多数情况下并不区分短裂纹和长裂纹。1975年，Pearson[5]发现应力强度因子幅值相同时，在沉淀硬化铝合金中长度0.5mm以下的裂纹其扩展速率比几十个毫米长裂纹的扩展速率要快几百倍，短裂纹扩展与长裂纹扩展存在很大的差异性，之后人们对短裂纹的扩展行为开展了大量实验研究。材料微观组织结构在几何和结构上的不连续性(如晶界、相界和沉淀相等)，是导致短裂纹和长裂纹扩展特性不同的主要原因。对于长度相当于几个晶粒尺寸的微观裂纹，微观结构会影响裂尖滑移带的运动、裂纹扩展过程中的微观塑性、闭合效应大小，因此微观结构的各向异性和不连续性必然会影响裂纹的扩展行为，使得短裂纹扩展时表现出与长裂纹扩展不同的特性，如短裂纹的扩展速率分
【参考文献】：
期刊论文
[1]合金材料超高周疲劳的机理与模型综述[J]. 洪友士,孙成奇,刘小龙. 力学进展. 2018(00)
[2]热处理工艺对50CrVA高强弹簧钢超高周疲劳损伤机制的影响[J]. 周蒙蛟,王弘,汪奔. 材料研究学报. 2016(12)
[3]利用局域取向差衡量变形金属中的位错密度[J]. 孟杨,任群,鞠新华. 材料热处理学报. 2014(11)
[4]航空发动机结构完整性研究进展[J]. 李其汉. 航空发动机. 2014(05)
[5]应力比对25Cr2Ni2MoV钢焊接接头近门槛值区疲劳裂纹扩展曲线转折点的影响[J]. 杜彦楠,朱明亮,轩福贞. 机械工程学报. 2015(08)
[6]微观组织对贝氏体钢疲劳裂纹扩展行为的影响[J]. 唐荻,杨柳,武会宾,郑宏伟,蒋金星,刘丽华. 材料科学与工艺. 2013(06)
[7]疲劳裂纹扩展门槛值的影响因素综述[J]. 吴健栋,蔡志鹏,潘际銮,刘霞,乔尚飞,王朋,霍鑫,沈红卫. 热力透平. 2013(02)
[8]利用EBSD技术分析低应变量形变显微组织[J]. 刘廷光,夏爽,茹祥坤,杨辉辉,李慧,白琴. 电子显微学报. 2011(Z1)
[9]轨道车辆轮对的关键力学问题及研究进展[J]. 赵永翔,高庆,张斌,刁克军. 固体力学学报. 2010(06)
[10]微观组织对2E12铝合金疲劳裂纹扩展的影响[J]. 闫亮,杜凤山,戴圣龙,杨守杰. 中国有色金属学报. 2010(07)
博士论文
[1]贝/马复相钢超高周疲劳行为及非夹杂起裂机理研究[D]. 赵平.清华大学 2016
[2]LZ50车轴钢的随机疲劳短裂纹行为研究[D]. 杨冰.西南交通大学 2011
[3]马氏体塑性变形制备纳米晶粒钢及其组织性能的研究[D]. 高聿为.燕山大学 2007
[4]40Cr、50车轴钢超高周疲劳性能研究及疲劳断裂机理探讨[D]. 王弘.西南交通大学 2004
[5]材料疲劳裂纹扩展和断裂定量规律的研究[D]. 王泓.西北工业大学 2002
硕士论文
[1]C35钢疲劳裂纹张开力的确定方法研究[D]. 董耀锋.上海交通大学 2014
本文编号：3128819
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