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高强钢超高周疲劳特征观测与机理分析

文献类型:学位论文

作者宋清源
答辩日期2021-05-20
文献子类博士
授予单位中国科学院大学
授予地点北京
导师高福平 ; 孙成奇
关键词超高周疲劳,裂纹萌生机理,裂纹扩展速率,晶粒细化,高强钢
学位专业工程力学
其他题名Observation of characteristic and analysis of mechanism in very high cycle fatigue regime of high-strength steel
英文摘要

    疲劳是指材料在循环载荷的作用下性能发生永久性的改变,并且经过一定循环周次后萌生裂纹甚至发生完全断裂的现象,其中疲劳寿命大于107周次的研究领域称为超高周疲劳(Very high cycle fatigue, VHCF)。超高周疲劳有其独特的现象与机理,不同于低周疲劳(Low cycle fatigue, LCF)与高周疲劳(High cycle fatigue, HCF)。本文采用超声频率(f=20 kHz)的轴向疲劳实验,研究高碳铬轴承钢GCr15与马氏体不锈钢AISI630的超高周疲劳行为,得到以下主要研究结果。

    两种高强钢经历107个周次的循环载荷以后仍然会发生疲劳断裂,不存在传统的疲劳极限。采用扫描电子显微镜(Scanning electron microscope, SEM)对所有的疲劳断口进行观察,发现超高周疲劳断口的裂纹源通常位于试样内部,呈现鱼眼形貌特征,并且在鱼眼内部存在粗糙区,即裂纹的萌生区(Fine granular area, FGA)。随着疲劳寿命的增加,FGA的尺寸增大,然而其应力强度因子幅值ΔKFGA比较稳定。部分马氏体不锈钢AISI630的疲劳断口呈现内部多点起源特征,裂纹倾向于在大尺寸夹杂物处萌生。

    采用恒应力幅值的载荷形式,对上述两种高强钢进行超声频率的疲劳实验。采用聚焦离子束(Focused ion beam, FIB)技术制备样品,电子背散射衍射(Electron backscatter diffraction, EBSD)技术和透射电子显微镜(Transmission electron microscope, TEM)观察裂纹萌生区的微结构,发现其为不连续区域的细晶结构。采用变应力幅值的载荷形式,对上述两种高强钢进行超声频率的疲劳实验,在裂纹萌生区留下清晰的年轮状形貌。在年轮状形貌中的光滑区域,发现细化的晶粒。这说明在低应力的作用下材料局部发生晶粒细化,之后的高应力驱动裂纹扩展形成光滑形貌。上述结果说明FGA形貌与晶粒是否发生细化没有必然联系。结合年轮的宽度与所加载荷的周次,计算得到这一区域的裂纹扩展速率,其量级为10-12-10-11 m/cyc,远低于伯氏矢量的量级。

    由于超声频率加载会产生温升效应,通常采用间歇加载方式来冷却试样,即加载一段时间,停止一段时间。然而停止加载后,载荷有一个衰减过程,即低载荷。虽然本文未将低载荷周次计入疲劳寿命,但轴承钢GCr15间歇加载试样的疲劳寿命显著高于非间歇加载试样。实验过程中对所有试样采用压缩空气进行冷却。采用热电偶测量试样表面温度,在某些应力下间歇加载试样与非间歇加载试样温差很小且都接近于室温,所以温升效应可以忽略。通过对疲劳断口的观察与分析,发现间歇加载方式并没有改变疲劳裂纹的萌生模式。本文认为间歇加载试样的疲劳寿命高于非间歇加载试样是由于低载荷所引起的应变时效作用,强化了裂纹尖端的局部区域,从而提高了疲劳寿命。

    本文基于已有的研究结果,提出了一个新的高强钢超高周疲劳裂纹萌生与初始扩展机理:在大量周次循环载荷的作用下,由于位错之间的相互作用使得局部区域晶粒发生细化,萌生微裂纹,同时在某些区域没有发生晶粒细化而直接萌生微裂纹。

语种中文
源URL[http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/86623]  
专题力学研究所_流固耦合系统力学重点实验室(2012-)
推荐引用方式
GB/T 7714
宋清源. 高强钢超高周疲劳特征观测与机理分析[D]. 北京. 中国科学院大学. 2021.

入库方式: OAI收割

来源:力学研究所

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