高性能弹簧钢60Si2CrVA和38Si7高周和超高周疲劳破坏行为的研究

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高强度钢的超高周疲劳行为是当前疲劳研究的新热点。本文主要利用旋转弯曲疲劳实验、超声波疲劳实验和疲劳裂纹扩展实验对三种商业生产的60Si2CrVA弹簧钢(D-60,H-60,A-60)和两种高速铁路弹条用38Si7高强度弹簧钢(X-38,N-38)进行了疲劳破坏行为方面的研究,重点分析了夹杂物对实验钢疲劳性能的影响。   三种60Si2CrVA弹簧钢(D-60,H-60,A-60)的氧含量尽管相同(均为10 ppm),但其高周和超高周疲劳性能却存在显著的差异;对氧含量基本相同的两种38S17弹簧钢(X-38,N-38,分别为6、7 ppm)亦得到同样的结果。因此,不能单纯用氧含量的高低来衡量实验钢的高周和超高周疲劳性能。   三种60Si2CrVA弹簧钢的高周和超高周疲劳实验结果表明,在低应力幅、高循环周次(约大于106 cyc)下,实验料的疲劳裂纹绝大部分起源于试样内部的粗大氧化物夹杂,由于钢中夹杂物尺寸的差异,使其高周和超高周疲劳性能存在明显差异,即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。   三种60Si2CrVA弹簧钢和两种38Si7弹簧钢的高周和超高周疲劳实验结果表明,对于内部夹杂物引起的疲劳破坏,在低应力幅、高循环周次(约大于106 cyc)下,在夹杂物周围往往存在粗糙的粒状区域(GBF)。随疲劳断口裂纹源夹杂物处应力场强度因子△Kin的减小,疲劳寿命Ⅳf增加;而夹杂物周围GBF边界处的应力场强度因子AKGBF并不随Nf变化而变化,基本为一常数。对A-60料疲劳裂纹扩展速率的分析表明,其△KGBF(平均值为4.6 MPa.m1/2)与疲劳裂纹扩展门槛值(4.3 MPa.m1/22)接近。   对两种高速铁路弹条用38Si7弹簧钢进行了超声波疲劳实验,结果表明,夹杂物和基体以相互竞争机制作为疲劳源。当夹杂物比较细小,疲劳裂纹不再从夹杂物处萌生时,组织缺陷就有可能成为疲劳源,使得疲劳起裂于内部基体组织。因此,在控制钢中夹杂物尺寸的同时,还应同时控制钢中的组织缺陷,否则同样难以提高钢的疲劳性能。
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