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低合金高強度鋼中微裂紋對超高周疲勞性能和極低速裂紋擴展的影響

為了減輕零部件的質(zhì)量與減小零部件的尺寸，高強度鋼一直被用于結(jié)構(gòu)零件。但研究表明，在超過107次循環(huán)的超高周區(qū)間內(nèi)，高強度鋼的疲勞損壞是零部件長期安全與可靠性的主要制約因素。因為存在表面引發(fā)和內(nèi)部引發(fā)兩種破壞機理，所以常顯示復(fù)雜的疲勞S-N特性和失效機制，特別是在諸如缺陷尺寸、載荷條件、試樣尺寸、表面狀況、試驗頻率、試驗環(huán)境等因素的影響之下。因此考察高強度鋼在超高周區(qū)間內(nèi)的基本疲勞特性，從而評價其與微觀組織或微觀裂紋有關(guān)的S-N特性以及裂紋萌生和擴展行為已經(jīng)是一個新的焦點，這關(guān)系到高強度鋼的開發(fā)與安全使用。本項研究中使用軸向載荷疲勞試驗考察兩類低合金高強度鋼的超高周疲勞特性。

試驗鋼種的化學成分為Fe- 0.6C- 2.0Si- 0.9Mn- 0.014P-0.019S。試樣在真空中加熱到900℃，保溫20min，油淬，然后分別在386℃和450℃下回火60min，其顯微組織分別為回火馬氏體和回火索氏體。疲勞試驗在多頭疲勞試驗機上進行，4個試樣在80Hz頻率下同時進行試驗，應(yīng)力比恒定為-1。試驗結(jié)果表明，在旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力下，兩種試樣的SN曲線是分開的，由表面或內(nèi)部微缺陷引發(fā)的損壞都顯示連續(xù)下降的S-N曲線。引發(fā)材料內(nèi)部損壞的微缺陷符合微觀組織不均勻的特征，而不是夾雜物。根據(jù)缺陷周圍和裂紋尖端的應(yīng)力強度評價，在超高周疲勞區(qū)間，由微缺陷引發(fā)的表面或內(nèi)部裂紋可能以比10-10m/周還低的速度擴展。預(yù)測與試驗結(jié)果的一致性表明，在超高周疲勞區(qū)間，鋼的雙分S-N特性以及疲勞強度都極大地依存于微觀缺陷的尺寸，特別是內(nèi)部微缺陷的尺寸。

刊名：Materials Science and Technology（英）

刊期：2013年第9期

作者：W.Li et al

編譯：張英才