高氮轴承钢高温疲劳性能与裂纹萌生扩展机理

200℃下,40Cr15Mo2VN高氮轴承钢旋转弯曲疲劳性能测试结果表明其安全疲劳极限强度为883MPa,较室温条件下降了17%。通过SEM疲劳断口观察发现,疲劳破坏类型主要为表面缺陷起裂和内部非金属夹杂物起裂。与室温相比,200℃条件下疲劳应力强度因子门槛值ΔKth下降了20%,导致疲劳裂纹起始的临界非金属夹杂物尺寸减小;200℃条件下表面起裂中疲劳源附近细小裂纹的相互作用使得应力强度因子KI增加,加速表面初始裂纹扩展。同时,根据高氮轴承钢中非金属夹杂物所在位置的名义应力幅度与缺陷疲劳极限强度的比值,分析了非金属夹杂物尺寸、位置及温度对疲劳寿命的影响。     

32Cr3MoVE轴承钢旋弯疲劳特性及裂纹萌生扩展行为

摘要：采用光滑漏斗状试样对32Cr3MoVE轴承钢进行旋转弯曲疲劳测试，研究了32Cr3MoVE轴承钢旋转弯曲疲劳性能及裂纹萌生扩展行为。采用升降法测得其疲劳极限为860MPa，疲劳断口SEM观察并统计破断试样结果表明：疲劳破坏68.7%是由于非金属夹杂起裂，18.8%由表面加工缺陷起裂，125%为表面粗糙度起裂。当加载应力低于980MPa时，疲劳断裂主要是由于内部非金属夹杂引起的，高于980MPa时，疲劳断裂主要是由于表面粗糙度引起的。表面加工缺陷和表面粗糙度引起的最大应力强度因子分别为3.05和2.97MPa·m1/2，容易引发疲劳裂纹。非金属夹杂物尺寸在5.30～5.90μm范围内，局部应力从859.35MPa升至977.75MPa时，疲劳寿命从1.96×105降低到1.58×105；非金属夹杂物局部应力在840～900MPa范围内，夹杂物尺寸从2.28μm升至5.83μm时，疲劳寿命从1.10×106降低到1.96×105。     

AF1410钢的旋转弯曲疲劳破坏行为

 通过力学性能测试、微观组织和疲劳断口形貌的扫描电镜（SEM）分析等方法系统研究了一种双真空工艺熔炼的高纯度超高强度钢（AF1410）的高周旋转弯曲疲劳破坏特性及非金属夹杂对其疲劳性能的影响。结果表明：AF1410钢经510℃回火5h后,具有优异的综合力学性能,其旋转弯曲疲劳极限强度达到826MPa;通过疲劳断口的SEM观察,试验用AF1410钢的旋转弯曲疲劳裂纹源均起裂于试样表面的加工缺陷,如刀痕、细微缺口等,这些表面缺陷引起的应力集中是导致其疲劳开裂的主要原因;稀土元素La的加入使得高纯AF1410钢弯曲疲劳断口中出现细小圆形的含La非金属夹杂物,但该类稀土夹杂并未成为旋转弯曲疲劳断裂的裂纹源。     

高钴钼不锈轴承钢疲劳裂纹萌生及扩展行为

采用高钴钼不锈轴承钢光滑圆柱形试样和缺口试样(理论应力集中系数K_t=3)进行旋转弯曲疲劳测试,研究了高合金轴承钢的裂纹萌生及裂纹扩展行为。用升降法和成组法分别测得轴承钢的疲劳极限和S-N曲线,利用扫描电镜对轴承钢旋转弯曲疲劳试样断口进行观察。结果表明,光滑试样起裂类型为单源萌生起裂,起裂源为表面缺陷和次表面夹杂物,表面缺陷为表面粗糙度、驻留滑移带和加工凹痕,次表面夹杂物为Al_2O_3-CaO-MgO-SiO_2复合夹杂;缺口试样疲劳极限显著下降,起裂类型为多源萌生起裂,计算得轴承钢的缺口敏感系数q_f为1.18。光滑试样疲劳破坏从以高应力幅粗糙度萌生表面裂纹的破坏向低应力幅驻留滑移带、加工凹痕、夹杂缺陷萌生裂纹转移。疲劳裂纹萌生寿命占整个疲劳寿命的94.1%以上。     

Cr-Mn钢的室温旋转弯曲疲劳性能

以Cr-Mn弹簧钢为研究对象,采用QBWP-6000J型简支梁旋转弯曲疲劳试验机,对试验材料在室温下进行了旋转弯曲疲劳试验。通过升降法测得疲劳极限,并绘制S-N曲线和P-S-N曲线;使用扫描电镜对疲劳试样断口进行观察,分析了起裂源类型和裂纹扩展行为。结果表明,试验钢旋转弯曲疲劳的疲劳极限为587 MPa,试验钢疲劳断裂起源于试样表面机加工缺陷和非金属夹杂物,非金属夹杂物主要为Al2O3夹杂物。     

高氮不锈轴承钢高温旋弯疲劳性能及损伤机制

40Cr15Mo2VN高氮不锈钢在300、400℃条件下旋转弯曲疲劳试验,结果表明,300℃条件下安全疲劳极限强度为787 MPa,400℃条件下疲劳极限强度为860 MPa,300℃条件下安全疲劳极限较400℃下降8.5%。通过SEM观察断口发现,疲劳破坏类型均为表面缺陷起裂、夹杂物起裂及基体孔洞起裂。高温下,碳化物、晶界等在热力耦合作用下成为孔洞形核的位置,孔洞长大连接成微裂纹,成为裂纹萌生扩展的主要原因,300较400℃条件下安全疲劳极限下降的主要原因是蠕变孔洞聚集程度高,容易连接成微裂纹,导致疲劳失效。     

高氮不锈轴承钢高温旋弯疲劳性能及损伤机制

摘要：40Cr15Mo2VN高氮不锈钢在300、400℃条件下旋转弯曲疲劳试验，结果表明，300℃条件下安全疲劳极限强度为787MPa，400℃条件下疲劳极限强度为860MPa，300℃条件下安全疲劳极限较400℃下降85%。通过SEM观察断口发现，疲劳破坏类型均为表面缺陷起裂、夹杂物起裂及基体孔洞起裂。高温下，碳化物、晶界等在热力耦合作用下成为孔洞形核的位置，孔洞长大连接成微裂纹，成为裂纹萌生扩展的主要原因，300较400℃条件下安全疲劳极限下降的主要原因是蠕变孔洞聚集程度高，容易连接成微裂纹，导致疲劳失效。     

82A和82B高强钢疲劳性能的试验研究

对某钢厂生产的82A和82B高强钢进行了高周疲劳性能试验研究,得到了这两种钢的疲劳应力-寿命曲线(S-N曲线)及疲劳强度。用扫描电镜对试样的疲劳断口进行了观察。结果显示,对夹杂物进行变性处理后的82A钢的疲劳裂纹大多从表面缺陷处萌生,而夹杂物没有变性处理的82B钢的疲劳裂纹则从非金属夹杂物及表面缺陷处萌生,且从内部非金属夹杂物处萌生的疲劳断口呈"鱼眼"特征。讨论了非金属夹杂物对高强钢疲劳性能的影响。     

100Cr6轴承钢的超高周疲劳性能研究

采用旋转弯曲疲劳、SEM+EDS、面扫描等方法,研究了试验用100Cr6轴承钢的高周及超高周疲劳性能,以及传统疲劳极限附近的失效概率分布,并统计了夹杂物的成分、尺寸等信息。结果表明试验钢100Cr6的传统疲劳极限为967 MPa,在其之下的960 MPa应力幅值条件下,部分试样通过107循环周次后仍出现疲劳断裂失效,非无限寿命。在传统疲劳极限附近,相比于正态分布,疲劳寿命数据更符合二参数威布尔分布。相比于金相检验和面扫描,疲劳+EDS方法更能发现尺寸较大且为刚性的D类和Ds类夹杂物。     

夹杂物尺寸对60Si2CrVA高强度弹簧钢的高周疲劳性能的影响

利用旋转弯曲疲劳实验,研究了3种商业生产的60Si2CrVA弹簧钢的高周疲劳破坏行为.结果表明,虽然实验料的氧含量相同,但由于钢中夹杂物尺寸的差异,使其高周疲劳性能存在明显差异.随着夹杂物尺寸的减小,实验料的疲劳寿命和疲劳强度均逐渐提高.夹杂物最为粗大的D-60料(平均夹杂物尺寸φin≈44.4μm),疲劳S-N曲线连续降低,疲劳断裂主要起源于钢中的粗大夹杂物,传统的疲劳极限消失;夹杂物最为细小的A-60料(φin≈15.4μm),疲劳断裂主要起源于表面基体,存在传统的疲劳极限.对于在低应力幅、高循环周次(约大于106)下,内部夹杂物引起的疲劳破坏,在夹杂物周围往往存在粗糙的粒状区域.     

15Cr14Co12Mo5Ni2齿轮钢的扭转疲劳特性及裂纹扩展行为

 通过扭转疲劳试验,研究了15Cr14Co12Mo5Ni2钢的扭转疲劳断裂的裂纹扩展行为和夹杂物尺寸与扭转疲劳寿命之间的关系。得到了钢的扭转疲劳极限强度和[τ-N]曲线,15Cr14Co12Mo5Ni2钢的扭转疲劳极限强度为350 MPa,扭转疲劳寿命分散度较大。通过断口观察,发现15Cr14Co12Mo5Ni2钢的疲劳破坏模式以表面破坏和近表面破坏为主,主要由氧化物夹杂引起。通过计算应力强度因子[ΔK]和裂纹扩展门槛值[ΔKth]分析15Cr14Co12Mo5Ni2钢的疲劳裂纹扩展的断裂力学条件,试验钢在断裂过程中受载荷情况为,II型载荷—I型载荷—II型载荷—I＋II型载荷,分别对应起裂源区、纤维区、疲劳裂纹扩展区和瞬断区;当有大裂纹产生时,则不会产生纤维区,受载荷情况则为：II型载荷—I＋II型载荷。通过公式推导和数据拟合得到夹杂物尺寸和15Cr14Co12Mo5Ni2钢扭转疲劳寿命的关系,发现随着夹杂物尺寸减小,钢的[τ-N]曲线向高寿命区移动。当引起裂纹萌生的夹杂物尺寸小于5 μm时,在350 MPa应力下,15Cr14Co12Mo5Ni2钢的扭转疲劳寿命超过107循环周次。     

高洁净轴承钢GCr15滚动接触疲劳机制研究

通过对真空脱气工艺制备的高洁净轴承钢的化学成分、低倍组织、碳化物不均匀性、非金属夹杂物等冶金质量进行标准检测及评级，并利用Aspex扫描分析仪对钢中的非金属夹杂物的数量、类型、尺寸及洁净度指数等进行定量分析，结合滚动接触疲劳寿命试验结果，建立了非金属夹杂物与轴承钢接触疲劳寿命的关系。研究结果表明，高洁净轴承钢的w[O]≤0.000 5%,w[Ti]≤0.000 8%，大颗粒夹杂物DS≤0.5级，但仍是以夹杂物为主导的接触疲劳破坏机制，其中，氧化物类夹杂尺寸较大，并在夹杂物周围存在孔洞缺陷，易于造成应力集中形成疲劳裂纹。高洁净轴承钢中氧化物类夹杂的最大尺寸控制在10μm以下，4.5 GPa高接触应力下的额定寿命L10达到1×107次以上，有望取代电渣重熔轴承钢用于高铁、高速机床主轴、风电主轴等高端装备领域。     

以抗疲劳性能提升为目标的高碳轴承钢质量改善

轴承钢制造企业不仅需要关注自身产品的检验质量,更需要关心产品在下游用户和终端用户的使用质量。疲劳寿命是轴承钢使用性能较为有效的评价指标。兴澄特钢的滚动接触疲劳(RCF)和旋转弯曲疲劳(RBF)试验结果显示,夹杂物是影响高碳轴承钢疲劳失效的主要因素,钢中夹杂物的尺寸增加和偏析引起的夹杂物在中心的偏聚,会加速轴承钢使用的疲劳失效。通过浇铸钢水过热度控制并与轻压下工艺相匹配,可以改善连铸钢中心缺陷,降低因中心缺陷遗传导致的钢材使用疲劳失效概率。通过改变中间包形状优化浇铸过程钢水的流动,减少了钢中对轴承钢疲劳破坏敏感性强的B类和DS类夹杂数量和全氧含量,也减少了夹杂物总数量,有利于提升轴承钢的疲劳寿命。通过改善轴承钢纯净度和成分均匀性提高轴承钢疲劳寿命,仍然是兴澄特钢今后很长时间内的主要工作方向。     

高性能GCr15轴承钢中夹杂物控制与疲劳性能

GCr15轴承钢的冶炼工艺对钢的疲劳性能具有显著影响。研究了LF+VD、电渣重熔(ESR)和真空感应+真空自耗(VIM+VAR)冶炼工艺对钢中氧、氮、硫的质量分数和非金属夹杂物的分布特征以及疲劳性能的影响规律。结果表明,VIM+VAR冶炼钢中氧和氮的质量分数分别为0.000 5%和0.001 6%,夹杂物总数量仅为1.54个/mm~2。ESR冶炼钢中氧和氮的质量分数分别为0.001 8%和0.011 0%,夹杂总数量为17.78个/mm~2,夹杂物尺寸均小于13μm。LF+VD冶炼钢中硫的质量分数为0.002 6%,钢中硫和氧的质量比为3.7,夹杂总数量最多为20.73个/mm~2,大于13μm的夹杂物中CaS和CaS与Oxide复合夹杂比例较高。旋转弯曲疲劳试验结果表明,LF+VD、ESR和VIM+VAR冶炼钢的安全疲劳极限分别为980、1 164和1 158 MPa,引起疲劳破坏的夹杂物类型与制备工艺有关,LF+VD冶炼钢的夹杂物有CaS、CaS(Oxide)和CaO·Al_2O_3,ESR冶炼钢的夹杂物有Al_2O_3和CaO·Al_2O_3,VIM+VAR冶炼钢的夹杂物有TiN、MgO·Al_2O_3和CaS(Oxide)。依据真实应力因素和疲劳寿命,钢中夹杂物的危害程度由大到小依次为TiN、CaO·Al_2O_3、MgO·Al_2O_3、Al_2O_3、CaS(Oxide)和CaS,夹杂物类型和尺寸的不同导致了GCr15轴承钢安全疲劳极限的差异。     

大型客机用300M钢疲劳破坏行为

 结合显微组织观察和力学性能测试,对国产大型客机用300M钢应力比[R＝－1]的轴向光滑疲劳性能进行了研究,分析了大型客机用300M钢的高周轴向疲劳断口形貌及起裂原因,重点研究了非金属夹杂物裂纹源的特性。结果表明,国产大型客机用300M钢冶炼纯净度较高,最终热处理后具有良好的综合力学性能,其应力集中系数[Kt＝1,]应力比[R＝－1]的高周轴向疲劳极限[σ－1]为907 MPa;通过断口SEM观察发现非金属夹杂物引起的应力集中是导致高周轴向疲劳开裂的主要原因,该类起裂源为复杂氧化物和硫化钙的复合非金属夹杂物,尺寸在5.5～20.5 μm之间,主要成分为铝、钙、硅、氧和硫等。     

硅脱氧弹簧钢55SiCr旋转弯曲疲劳断口中外来夹杂物的研究

借助SEM-EDS分析1 950 MPa级汽车用悬架弹簧钢丝硅脱氧55SiCr钢的旋转弯曲疲劳断口中疲劳源宏观夹杂物的尺寸、距表面距离与成分。利用FEI Explorer 4自动扫描电镜对硅脱氧55SiCr盘条内生夹杂物成分分布进行检测统计,对比分析认为疲劳断口宏观夹杂物主要是外来夹杂物。通过采用盘条凝固枝晶显示方法,判断了这些外来夹杂物在连铸坯上的分布特点。研究结果表明:外来夹杂物主要来自于结晶器保护渣卷入、水口耐材和中间包渣线耐材的侵蚀剥落;疲劳断口上的外来夹杂物在铸坯中主要分布在大方坯内弧角部位置。     

一种2000 MPa级中碳高强度弹簧钢的疲劳破坏行为

 研究了一种2 000 MPa级中碳高强度弹簧钢的疲劳破坏行为。升降法得出实验钢的旋转弯曲疲劳极限σ-1为810 MPa，此值明显高于传统弹簧钢；这主要得益于实验钢具有良好的强度和塑韧性配合及均匀细小的奥氏体晶粒。用SEM对疲劳断口的分析表明，实验钢的疲劳破坏均起源于试样表层的非金属夹杂物，其主要成分为含Ti和V的碳氮化物，平均尺寸为(50±10)μm，且呈“鱼眼”断裂。相对于试样心部的夹杂物，表层夹杂物对实验钢的疲劳性能的危害性更大。     

铬钼合金化对高锰钢疲劳性能的影响

研究了铬钼合金化对高锰钢疲劳和耐磨性能的影响.旋转弯曲疲劳试验和疲劳断口分析结果表明,铬钼合金化后,高锰钢的抗拉强度和屈服强度都有所提高,而延伸率、冲击韧性和疲劳极限降低.在低循环应力条件下,Cr和Mo的质量分数分别为0.57%和0.34%的高锰钢的疲劳性能低于普通高锰钢,主要是弥散点状碳化物容易引发内部疲劳源,加快疲劳失效过程.     

1Cr17Ni1双相不锈钢室温旋转弯曲疲劳性能

在应力比R=-1,转速为5 000 r/min和室温环境下测试了1Cr17Ni1双相不锈钢光滑旋转弯曲疲劳试样和缺口旋转弯曲疲劳试样的数据,得到了2种试样的S-N曲线.并采用扫描电镜(SEM)分析了2种试样的断口形貌,研究了1Cr17Ni1双相不锈钢高周疲劳特性.结果显示,光滑旋转弯曲疲劳试样的疲劳极限为320 MPa,其疲劳裂纹萌生于试样的表面;缺口旋转弯曲疲劳试样的疲劳极限为137 MPa,其裂纹源萌生于缺口处.经计算得到1Cr17Ni1双相不锈钢的缺口敏感系数为0.67.     

稀土对钢疲劳性能的影响

用旋转弯曲疲劳试验机研究了不同稀土含量对工厂冶炼的40MnB、25MnTiB、20钢过载疲劳寿命和疲劳极限的影响。稀土含量0.02%时,过载疲劳寿命可成倍增加,含量再多,疲劳寿命改善不明显。含稀土0.02%时,疲劳极限无甚变化,含量再多,稍有降低,变化趋势与疲劳寿命相似。扫描电镜对疲劳断口的检验表明,疲劳裂纹源在夹杂处形成,裂纹扩展与夹杂物的数量有关,含稀土0.02%时,疲劳断口上夹杂物较少。定量金相显微镜检验表明,含稀土0.02%时夹杂物最少。稀土对钢的净化作用是提高过载疲劳寿命的主要原因。