高强钢的冲击韧性、力学性能和疲劳裂纹扩展速率研究

发布时间：2017-12-09 02:28

  本文关键词：高强钢的冲击韧性、力学性能和疲劳裂纹扩展速率研究

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【摘要】：在材料的发展史上,强度一直是人们所关心的重要力学性能之一,然而随着材料强度的提高,往往伴随着韧性的损失,一些具有高强度的构件在服役过程中往往并没有体现出较好的疲劳性能。由于材料的强度和韧性总是出现这种倒置关系,因此,对于工程材料而言,如何选择材料的最佳强韧性匹配使其在服役过程中具有良好的安全服役性能成为工程上的难题。为了能够提高工程材料或构件在服役过程中的使役性能,应从三方面进行研究:1)明确材料强韧性能的物理意义;2)研究组织状态对强韧性匹配的影响;3)优化强韧性匹配实现疲劳性能的提高。对于强度和韧性的测试目前已有很多测试手段来表征,比如表征材料强度的方法可以通过最简单的室温拉伸试验来进行,而韧性可以根据断裂韧性测试等方法进行表征。夏比缺口冲击试验作为一种表征材料韧性的方法,可以揭示金属材料在冲击载荷作用下的力学行为,以及金属材料的低温脆性等。然而,目前对于材料在冲击断裂过程中的能量变化过程尚不清楚,由冲击试验得到的冲击韧性值也只能作为材料的一个参考值,并不是材料本身的特性。本文首先对一种马氏体时效钢在四种不同强度下进行了室温拉伸试验和夏比缺口冲击试验,通过拉伸实验得到的工程应力应变曲线计算得到静力韧度值,从冲击实验得到不同材料的冲击吸收功的大小,对剪切唇的尺寸进行了测量,结合冲击吸收功随着试样尺寸变化的关系进行了分析,并对冲击过程中的能量变化过程进行了探讨和分析。此外,本文针对FAS3550板簧几种不同条件淬火+回火热处理状态下的力学性能进行了研究,包括硬度测试、拉伸测试以及平面应变断裂韧性的测试,分析了热处理工艺对其强韧性的影响。最后本文测量了FAS3550板簧以及奔驰板簧的疲劳裂纹扩展速率并且进行了比较,对影响疲劳裂纹扩展速率的因素进行了分析,探讨了热处理工艺对疲劳裂纹扩展速率以及组织和断裂机制对于性能的影响,主要得到如下结果:1.冲击吸收功主要由正断功和剪切功两部分组成,剪切功主要是在剪切唇的形成过程中被消耗,而正断功则是在I型裂纹的扩展过程中被消耗。随着试样高度的增加,剪切唇的宽度也随之增加,然而当试样高度增大到一定尺寸时,由于能量平衡准则剪切唇的尺寸将会达到一个饱和值,此时剪切唇尺寸满足t=3αc/8Ut。并且在其他三种钢和一种钛合金中得到了很好的验证。2.FAS3550在几种不同的热处理状态下的室温组织均为回火屈氏体以及少量碳化物,并且在低倍观察下,发现有带状组织的存在。几种热处理状态下的FAS3550强度和韧性呈倒置关系,屈强比基本都在0.9左右。并且研究发现,FAS3550在回火温度为470℃时,淬火温度为870℃时,综合力学性能优于委托方提供的FAS3550板簧。3.不同热处理工艺的FAS3550板簧的疲劳裂纹扩展速率曲线均发生不同程度的“跳跃”,疲劳裂纹扩展试样的断口形貌主要以解理和撕裂两种形貌组成,解理和撕裂两种形貌的面积比例不同导致疲劳裂纹扩展速率曲线发生偏折。热处理工艺为回火温度为470℃,淬火温度分别为870℃和910℃时,FAS3550板簧的疲劳裂纹扩展速率与奔驰板簧的裂纹扩展速率最接近。
【学位授予单位】：沈阳航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG142.1

【参考文献】

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本文编号：1268777