gcr15钢内部裂纹萌生与扩展机理研究

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第2页周次应力循环的疲劳试验研究，发现这些材料在107周次以前，疲劳裂纹萌生于表面，在lO，周次以后，疲劳裂纹萌生于内部非金属夹杂物，并伴有鱼眼裂纹特征。这些材料的．洲曲线为阶梯下降的形状，传统的疲劳极限出现在107周次以前。Nakamura[22】和Kuroshima[26】等对几种高强度钢从表面破坏(由表面裂纹引起的)向内部破坏(内部裂纹引起的)的转移条件进行了研究，研究的结果表明材料的表面状态对转移应力幅值有着一定的影响。Kuroshima等【26】还尝试推测内部裂纹的萌生时期，指出了表面与内部两种破坏的寿命差异可能与裂纹扩展的环境有关，即表面裂纹扩展

2、是在空气中发生，而内部的扩展是在真空中发生。Murakami就内部裂纹萌生处的夹杂对高强度钢超高周疲劳行为的影响进行了定量评估【271，NishOima等对多种高强度钢的系列研究成果进行了总结报导【2引。由于汽车工业发展急需，超长寿命疲劳行为的研究受到日本更多研究者们的关注。为了揭示高强度钢在超高周疲劳寿命区的非常规的疲劳行为，保证机器以及结构物使用的长期可靠性，日本十几所大学的疲劳研究者使用相同形状的试样开展了三个不同强度等级的高强度钢(高碳铬轴承钢JISSUJ2、Ni．Cr-Mo、JISSNCM439)和高温回火的Cr-Mo、JISSCM435钢的107～109超长寿命疲劳的研究，系

3、列的研究结果【31。38】表明，SUJ2钢和SNCM439钢具有表面破坏和由夹杂物引起的内部破坏(鱼眼型)的两条孓Ⅳ曲线，对于强度相对较低SCM435钢的旋转弯曲疲劳试验结果【3引，却只出现了表面裂纹萌生机制的一条．孓Ⅳ曲线，尽管试样大部分在107周次以前发生折断，但在略低于疲劳极限的应力幅作用下，在5x108周次以上仍有试样折断，这意味着低于门槛值的极低速的表面裂纹扩展现象的存在。到目前为止，对于超长寿命疲劳问题，人们在开展对洲曲线特性研究的同时，也进行了内部疲劳破坏机理，特别是内部破坏断口裂纹源区域形成机理的探索研究。Murakami等【40】使用金相显微镜和原子力显微镜详细地观察了

4、低温回火的CroMo钢(JiSSCM435)的Giga．fatigue破坏的断口，发现萌生内部裂纹的夹杂物周围，存在一个粗糙形貌的区域(ODA，OpticallyDarkArea)。Murakami等认为在材料的制造过程中夹杂物捕获了氢，ODA是氢在长期的交变应力作用下形成的氢脆破坏，它是材料内部环境因素引起的。当裂纹成长的第一阶段完成后，氢的作用消失，断口上才出现通常的平滑疲劳裂纹。Furuya等MIJ在研究加载频率对高强度钢疲劳行为的影响时发现，加载频率对ODA的大小没有影响，他们认为ODA的形成可能与氢有关，但破坏西南交通大学硕士研究生学位论文第3页机理与氢脆不同。Shiozawa

5、等【33,34,37】使用电子显微镜、金相显微镜和电子探针显微镜等观察高碳铬轴承钢和Ni．Cr-Mo合金钢的超长寿命疲劳破坏断口时也发现了同样的现象，由于在电子显微镜下观察的夹杂周围的粗糙区域发亮，因此他将这个区域命名为GBF(GranularBrightFacet)。Shiozawa等【42J还发现夹杂物周围形成的粗糙区是组织中碳化物从基体剥离引起的，但碳化物的剥离机理还不清楚。相关研究表B凋[43,44]，GBF区域在疲劳破坏过程中起着重要的作用，其形成花费了整个疲劳寿命的约90％，但是由于内部裂纹的萌生及扩展无法像表面裂纹一样直接观察到，因此在探索内部裂纹的产生及扩展机理时研究者使

6、用了Kobayashi等【45】提出的断口形貌分析方法，即FRASTA(FractureSurfaceTopographyAnalysis)法。FRASTA法的仿真分析表明【43'44J在超长寿命区，疲劳裂纹首先萌生于内部夹杂物，然后在夹杂物周围发生不连续的微裂纹，随着微裂纹的成长，裂纹逐渐贯通形成GBF区，此后发生连续扩展形成fish．eye区域，最后扩展至断裂；而在短寿命区裂纹萌生于夹杂物后直接发生连续地扩展直至破坏。使用常规疲劳试验机去完成超长寿命疲劳的研究需要较多的时间和费用，更不可能完成109周次以上的疲劳试验。于是与日本的学者采用的常规疲劳试验机为研究手段不同，在欧洲，疲劳研

7、究者们使用超声疲劳试验系统进行超长寿命疲劳的研究。从1990年开始，Bathias等开始对多种金属包括钛合金(环境温度效应【46】、裂纹扩展行为[471和组织影响[48】【491)、镍基合金(高温裂纹的萌生与扩展行为【50】)和各种钢铁材料【5l】-【”】(球墨铸铁、低碳钢、弹簧钢、轴承钢、轨道钢和不锈钢等)对寿命范围在109～l010周次的疲劳行为进行了系统的研究，得到的超声疲劳试验结果与日本研究者报导的常规疲劳试验的结果几乎相同