低合金双相耐磨钢疲劳性能的研究

摘要

低合金双相耐磨钢是目前国内外广泛研究的一种新型耐磨材料，通过调整化学成分、热处理工艺及铸造工艺等因素，获得不同含量马氏体(M)-贝氏体(B)，满足不同磨损情况下对材料强度、耐磨性的要求，克服了高锰钢应用上的不足。
　　本文研究以Si、Mn为主要合金元素的高强韧双相耐磨钢，其强度、硬度、及耐磨性能明显高于普通高锰钢(Mn13)，但延伸率低于高锰钢。坦克、装甲车辆履带板要求强度和硬度高，耐磨性好，同时要保证履带板使用安全，不断裂。履带板处于周期性交变载荷作用，反复受到拉压、弯曲应力作用，履带板易产生疲劳裂纹。因此，研究低合金双相耐磨钢的疲劳行为及其影响因素，并与高锰钢进行对比，具有重要意义。通常材料强度越高，脆性越大，越容易导致疲劳裂纹产生，相反，塑性较好的材料不易产生疲劳断裂。本文在低合金双相耐磨钢力学性能及耐磨性能基础上，对其疲劳性能进行研究。以履带板常用材料高锰钢作为对比材料，研究了以下几方面内容:
　　1、用旋转弯曲疲劳试验方法测定双相钢和高锰钢在104～107循环周次范围内的疲劳寿命S-N曲线，结合扫描电镜断口显微分析，研究双相钢和高锰钢在不同应力循环条件下疲劳断裂机制。
　　2、通过对双相钢和普通高锰钢缺口试样在104～107循环周次范围内的疲劳寿命S-N曲线测定，研究缺口应力集中对材料疲劳性能的影响。
　　3、采用三点弯曲疲劳裂纹扩展试验方法测定疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子幅度之间的关系曲线，得出双相钢及铬钼合金化高锰钢的Paris参考公式及疲劳裂纹扩展门槛值。并根据试样宏观断口形貌，分析了材料疲劳应力与疲劳断口的关系，对比分析了双相钢和普通高锰钢的疲劳特点，研究了铬钼合金化对高锰钢疲劳性能影响。
　　综合分析实验结果，得出以下结论:
　　1、铸造双相耐磨钢的劳极限为300MPa;普通铸造高锰钢的疲劳极限为250MPa;铬钼合金化高锰钢的疲劳极限为240MPa。铸造双相耐磨钢疲劳极限高于普通高锰钢和铬钼合金化高锰钢。
　　在高应力下，双相钢疲劳裂纹扩展区没有明显疲劳辉纹，断口为具有韧窝和撕裂的混合型断裂;低应力下，疲劳辉纹明显，断口为具有网状韧窝的韧性断裂。对于塑性很好的高锰钢，疲劳裂纹扩展区可见明显疲劳辉纹，在与铸造双相钢同应力水平下，其断口为准解理型脆性断裂。由于双相钢疲劳极限高于高锰钢，裂纹萌生门槛值高于高锰钢，所以其疲劳性能也高于高锰钢，可以保证双相钢履带板安全使用。
　　2、铸造双相耐磨钢缺口试样的疲劳极限为280MPa，普通高锰钢缺口试样疲劳极限为180MPa。铸造双相钢疲劳缺口应力集中系数为1.071;缺口敏感度为0.08。普通高锰钢疲劳缺口应力集中系数为1.39;缺口敏感度为0.486。铸造双相钢的疲劳缺口应力集中系数和缺口敏感度均低于高锰钢。
　　3、高锰钢的疲劳裂纹扩展速率比双相钢慢，但随着裂纹前端应力强度增加，高锰钢的裂纹扩展速度更快。铸造双相钢和铬钼合金化高锰钢的Paris参考方程为da/dN=2.5×10-13△K2.89和da/dN=6.3×10-15△K3.45双相钢在R=0.1时疲劳裂纹扩展门槛值△Kth=1.3kgfmm-3/2;铬钼合金化高锰钢在R=0.1时疲劳裂纹扩展门槛值△Kth-4kgfmm-3/2。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 材料的疲劳

1．1．1 疲劳形式的分类

1．1．2 材料的疲劳寿命

1．1．3 S-N曲线与疲劳极限

1．2 贝氏体耐磨钢的应用研究

1．2．1 贝氏体相变的研究进展

1．2．2 奥氏体-贝氏体双相钢

1．2．3 马氏体-贝氏体双相钢

1．2．4 贝氏体钢疲劳裂纹扩展特性

1．2．5 贝氏体耐磨钢研究前景

1．3 双相钢疲劳性能研究现状

1．3．1 双相钢的疲劳寿命

1．3．2 马氏体体积分数和马氏体中含碳量对疲劳寿命的影响

1．4 高锰钢研究情况

1．4．1 铬钼合金化对高锰钢的影响

1．4．2 高锰钢坦克履带板失效分析

1．5 研究坦克履带板疲劳问题意义

1．6 本课题的意义及主要工作

第2章 光滑试样旋转弯曲疲劳试验

2．1 引言

2．2 棒状光滑试样旋转弯曲疲劳试验

2．2．1 旋转弯曲疲劳介绍

2．2．2 旋转弯曲疲劳应力分布特点

2．2．3 旋转弯曲疲劳断口特征

2．2．4 旋转弯曲疲劳试样断口上的信息

2．3 实验材料及方法

2．3．1 实验材料成分确定及试样尺寸

2．3．2 试样热处理工艺

2．3．3 实验设备

2．3．4 旋转弯曲疲劳试验条件

2．3．5 旋转弯曲疲劳试验方法

2．4 实验结果

2．4．1 双相钢及高锰钢的显微组织

2．4．2 双相钢的及高锰钢的力学性能

2．4．3 应力疲劳寿命曲线(S-N曲线)

2．4．4 疲劳断口观察

2．4．5 试验钢疲劳断裂机制

2．5 本章小结

第3章 钢的缺口敏感性

3．1 引言

3．2 实验材料及方法

3．2．1 实验材料及试样尺寸

3．2．2 实验方法

3．3 实验结果

3．3．1 缺口试样旋转弯曲疲劳实验结果

3．3．2 试验钢缺口敏感性研究

3．3．3 材料的疲劳抗力

3．4 本章小结

第4章 疲劳裂纹扩展试验研究

4．1 引言

4．2 疲劳裂纹扩展基本理论

4．2．1 疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值

4．2．2 疲劳裂纹扩展一般规律

4．2．3 影响裂纹扩展速率的主要因素

4．3 实验材料及方法

4．3．1 实验材料及试样尺寸

4．3．2 实验设备

4．3．3 实验方法

4．4 疲劳裂纹扩展试验过程

4．4．1 试验原理

4．4．2 试验过程

4．5 疲劳裂纹扩展实验结果及分析

4．5．1 疲劳裂纹扩展的特点

4．5．2 疲劳裂纹扩展速率

4．5．3 试验钢疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth

4．5．4 理论分析

4．6 小结

第5章 结论

参考文献

致谢

附录