GCr15轴承钢高速冲击绝热剪切带的研究

摘要

GCr15轴承钢是应用最广泛的高碳铬轴承钢之一。一般工况下的轴承经历的是接触疲劳载荷。然而，风机齿轮箱轴承运行中由巨风和阵风引起的瞬态载荷作用在轴承上，使其承受一定的冲击载荷，这在海上风电中尤为明显。但在风机齿轮箱轴承设计时并没有对瞬态载荷给予重视，这是导致轴承寿命远低于设计寿命的因素之一。由于在失效模式和机理方面认识的分歧，对风机齿轮箱轴承的研究重点放在接触疲劳，并没有从动态冲击载荷下的失效模式角度去考虑。所以研究其在动态冲击载荷下的性能是十分必要的。同时也为近年来普遍关注的绝热剪切带(ASB)形成机理的研究提供进一步的理论依据。
　　本论文以GCr15轴承钢为研究对象，对其在高速冲击条件下的力学性能及微观组织形态展开了一系列的研究。首先采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置，对GCr15轴承钢的帽形试样及圆柱形试样分别进行高速冲击试验，分析其应力-应变曲线。利用光学显微镜和扫描电子显微镜对试样断口及微观组织形貌进行观察分析，发现此材料在高速冲击条件下能够产生绝热剪切带(ASB)。利用聚焦离子束(FIB)技术，定位ASB区域制备TEM样品，在透射电子显微镜下观察剪切带微观组织结构变化并分析晶粒细化机理。最后利用显微硬度计和纳米压痕硬度仪对绝热剪切带区域的硬度表征进行了测量。本文研究结果表明：
　　GCr15轴承钢在高应变率动态加载时无应变硬化效应。其在高应变率冲击载荷作用下，帽型试样及圆柱形试样中均形成了绝热剪切带，剪切带的宽度约为0.5-6μm，并在剪切带与基体交界处伴随有裂纹的产生。说明绝热剪切带是GCr15钢动态冲击载荷下的失效模式。而圆柱形试样中的绝热剪切带宽度和致密程度小于帽形试样。
　　绝热剪切带中晶粒尺寸及微观组织的变化表明：在高剪切应力作用下，晶粒首先被拉长，在晶粒和晶界处产生大量缠结的位错塞积并将拉长的晶粒划分成更小的亚晶粒从而形成新的亚结构和晶粒。晶粒的细化是在动态回复和不完全动态再结晶机制主导下完成的。绝热剪切带内同时存在纳米级的bcc-ferrite(?)和hcp-structure(ε)，说明GCr15钢在高应变速率变形下，其ASB带内有体心立方(bcc)到密排六方(hcp)结构的相变发生。绝热剪切带中的渗碳体组织在大塑性变形和动态再结晶驱动下发生了溶解，从而降低了渗碳体组织的数量及尺寸。
　　晶粒的细化使得由基体组织到剪切带中心显微硬度值不断增大，在带中心达到最大值。纳米压痕硬度表征与显微硬度结果相吻合。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 选题背景

1.2 GCr15轴承钢发展现状

1.3 绝热剪切现象研究现状

1.4 Hopkinson压杆技术

1.5 本文研究工作

第2章 实验材料和试验方法

2.1 引言

2.2 实验材料

2.3 实验方法

2.4 本章小结

第3章 GCr15轴承钢高速冲击实验

3.1 引言

3.2 实验结果与分析

3.3 试样宏观断裂形貌与断口分析

3.4 本章小结

第4章 绝热剪切带的微观组织形貌特征

4.1 引言

4.2 ASB微观组织形貌特征

4.3 绝热剪切带内的组织结构变化

4.4 本章小结

第5章 绝热剪切带形成机理与显微硬度表征

5.1 引言

5.2 绝热剪切带形成机理分析

5.3 绝热剪切带硬度表征

5.4 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A：攻读硕士学位期间发表的学术论文