CN112485118B - 一种估算高强钢疲劳失效临界夹杂物尺寸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种估算高强钢疲劳失效临界夹杂物尺寸的方法，属于高强钢疲劳断裂失效判据技术领域。该方法基于断裂力学原理，从能量的角度给出由夹杂物诱导高强钢疲劳断裂的机制，通过使用不同热处理制度获得具有不同强韧性匹配的高强钢进行拉伸、断裂韧性、弹性性能试验，用能量准则来估算高强钢疲劳失效临界夹杂物尺寸，随后进行超高周疲劳试验验证了本发明方法的有效性。本发明提出的估算方法可通过静态力学性能测试来预测高强钢疲劳断裂失效的临界夹杂物尺寸，为提高工程材料服役寿命选材、设计以及为冶金学经济而又合理地控制夹杂物尺寸提供相应的实验证据与理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及属于高强钢疲劳断裂失效判据技术领域，具体涉及一种估算高强钢疲劳失效临界夹杂物尺寸的方法。
背景技术
高强钢在现代工业中使用量大、应用范围广，因其具有高强度和提高能效等优良的综合性能广泛应用于航空航天、导弹、潜水艇等国防尖端科学技术领域以及涡轮发动机、车轮轮轴、涡轮叶片、轴承等民用经济领域，已经成为工程零部件中应用十分广泛的重要结构材料。据统计，各种运动构件的破坏有50-90％是由疲劳失效引起而导致断裂的，而高强钢在服役过程的疲劳失效主要起源于内部最大尺寸的非金属夹杂物，且强度水平愈高，高强钢疲劳性能对夹杂物愈敏感。即存在一个临界夹杂物尺寸，当高强钢中夹杂物尺寸小于这个值时，在服役过程中就不会从夹杂物处导致疲劳断裂。目前的冶金技术已经有可能提高钢的纯净度进而控制和改善钢中夹杂物的数量、尺寸、分布，可以将氧等有害元素含量控制在10ppm以下进而大大减小钢中夹杂物尺寸，不仅显著降低了由夹杂物导致疲劳失效的频率，减小了疲劳源的夹杂物尺寸，延长高强钢的疲劳寿命，而且还可以提高其疲劳极限。但是，若将氧等有害元素降低到如此低的程度，必将大大提高工业生产的成本而降低经济效益。因此，如何合理控制夹杂物尺寸在临界夹杂物尺寸以下，使其在服役周期内不从夹杂物开裂或延缓在夹杂物处疲劳裂纹萌生及扩展的速率，制备出具有零夹杂物或小夹杂物尺寸的高洁净度钢铁材料，并逐步发展由夹杂物导致疲劳失效的机理成为发展高疲劳强度钢的重要手段。然而，目前还没有一种简单、有效、快速的方法来评估高强钢疲劳失效的临界夹杂物尺寸。
因此，本发明尝试提出一种估算高强钢疲劳失效临界夹杂物尺寸的方法，用以快速准确地评估高强钢疲劳失效的临界夹杂物尺寸。目前临界夹杂物尺寸的预测方法主要有：基于断口疲劳源夹杂物尺寸与距表面距离的外推法；基于Murakami投影面积模型的临界夹杂物尺寸和表面粗糙度、硬度的经验关系。然而，外推法需要进行大量的疲劳试验，劳动强度大且结果具有偶然性和不确定性；正如Murakami所说的投影面积模型预测的疲劳强度过高，因此基于此模型推导得到的临界夹杂物尺寸的准确性有待进一步验证且相关参数物理意义不明确，是一种事后描述性公式，而不是事先的预判准则。因此开发一种简单、有效、快速的方法来评估高强钢疲劳失效的临界夹杂物尺寸是本发明的核心。
发明内容
本发明的目的在于提供一种估算高强钢疲劳失效临界夹杂物尺寸的方法，该方法通过静态力学性能测试，基于断裂力学原理给出了一种高强钢疲劳失效临界夹杂物尺寸的估算方法，解决了高强钢疲劳失效临界夹杂物尺寸难以准确评估的问题，为工程选材、设计以及冶金学经济的控制夹杂物尺寸提供相应的理论依据。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种估算高强钢疲劳失效临界夹杂物尺寸的方法，该方法包括如下步骤：
(1)通过不同热处理制度获得具有不同强度与韧性匹配的高强钢；
(2)进行室温拉伸实验，测得高强钢的抗拉强度σb；
(3)进行室温断裂韧性实验，测得断裂韧性KIC；
(4)进行弹性性能测试，获得弹性模量E、泊松比ν；
(5)将步骤(2)-(4)获得的抗拉强度σb、断裂韧性KIC、弹性模量E、泊松比v数据带入高强钢疲劳断裂的临界夹杂物尺寸与抗拉强度、断裂韧性的本征关系式中，即可计算出高强钢疲劳断裂的临界夹杂物尺寸d0；所述临界夹杂物尺寸与抗拉强度、断裂韧性的关系式如公式(1)：
上述步骤(1)中，热处理制度采用不同的回火温度来获得具有不同强韧性匹配的高强钢；
上述步骤(2)中，拉伸试样的几何形状和尺寸及拉伸实验步骤应符合国家标准GB/T 228.1-2010，试样横截面采用圆形；
上述步骤(3)中，断裂韧性试样的几何形状和尺寸及实验步骤应符合国家标准GB/T 4161-2007，采用标准三点弯曲试样试验；
上述步骤(4)中，测量弹性性能样品的几何形状和尺寸及实验步骤应符合国家标准GB/T 22315-2008，采用动态测量方法-敲击共振法进行试验。
本发明的有益效果如下：
1)本发明提出了一种估算高强钢疲劳失效临界夹杂物尺寸的方法，本发明通过研究具有不同强韧性匹配的高强钢，基于断裂力学和能量准则，从能量的角度给出由夹杂物诱导疲劳断裂的机制，克服了高强钢疲劳失效临界夹杂物尺寸难以准确评估的难题，最终建立了高强钢动态疲劳失效临界夹杂物尺寸与静态力学性能：抗拉强度、断裂韧性、弹性模量、泊松比的定量关系，进而提出了临界夹杂物尺寸的评估方法，与疲劳试验结果吻合较好；
2)本发明所述方法简单实用，操作简单方便，适用于各种高强钢疲劳失效的临界夹杂物尺寸的预测。
附图说明
图1为高强钢超高周疲劳裂纹断裂类型；其中：(a)表面失效类型宏观断口形貌；(b)表面失效类型疲劳源形貌；(c)内部夹杂物失效类型宏观断口形貌；(d)内部夹杂物失效类型疲劳源形貌。
图2为疲劳断口和疲劳源夹杂物的示意图；其中：(a)疲劳断口形貌示意图；(b)疲劳源夹杂物形貌示意图。
图3为基于等夹杂尺寸线的抗拉强度和断裂韧性的示意图。
图4为AISI 4340钢的抗拉强度和断裂韧性的关系图。
图5为AISI 4340钢临界夹杂物尺寸和疲劳源最小夹杂物尺寸对比图。
图6为高强钢两种疲劳断裂类型百分数。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，以下结合实施例对本发明进行更详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分，而不是全部，所描述的实施例是对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制，本领域研究人员在未做出实质性创造性研究的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明为一种估算高强钢疲劳失效临界夹杂物尺寸的方法，该方法包括如下步骤：
(1)通过不同热处理制度获得具有不同强度与韧性匹配的高强钢；
(2)进行室温拉伸实验，测得高强钢的抗拉强度σb；
(3)进行室温断裂韧性实验，测得断裂韧性KIC；
(4)进行弹性性能测试，获得弹性模量E、泊松比ν；
(5)将步骤(2)-(4)获得的抗拉强度σb、断裂韧性KIC、弹性模量E、泊松比v数据带入高强钢疲劳断裂的临界夹杂物尺寸与抗拉强度、断裂韧性的本征关系式中，即可计算出高强钢疲劳断裂的临界夹杂物尺寸d0；所述临界夹杂物尺寸与抗拉强度、断裂韧性的关系式如公式(1)：
其中，热处理制度采用不同的回火温度来获得具有不同强度与韧性匹配的高强钢；拉伸试样的几何形状和尺寸及拉伸实验步骤应符合国家标准GB/T 228.1-2010，试样横截面采用圆形；断裂韧性试样的几何形状和尺寸及实验步骤应符合国家标准GB/T 4161-2007，采用标准三点弯曲试样试验；测量弹性性能样品的几何形状和尺寸及实验步骤应符合国家标准GB/T 22315-2008，采用动态测量方法-敲击共振法进行试验。超高周疲劳试样的几何形状和尺寸需要保持一致；疲劳试样为沙漏型，其横截面为圆形；所有疲劳试样分别用400#、800#、1200#和2000#的砂纸沿轴向打磨；采用岛津USF-2000超声波疲劳试验机进行试验，应力比R＝-1。
本发明所依据的科学原理如下：
以240℃回火态的AISI 4340钢为例，其疲劳断口形貌如图1所示，主要有两种失效类型：表面失效(图1(a-b))；内部夹杂物失效(图1(c-d))。其中图1(a)和图1(c)为宏观断口形貌，均呈放射状扩展形貌，具有明显的撕裂棱；图1(b)和图1(d)为疲劳源形貌，其中在图1(d)呈现鱼眼特征，内部夹杂物周围有一亮片区域——粒状亮面。这两种失效类型给我们启示：应该存在一个临界夹杂物尺寸d0，当夹杂物尺寸大于这个值时，高强钢在超高周疲劳条件下会从夹杂物疲劳开裂，当夹杂物尺寸小于这个值时，高强钢在超高周疲劳条件下会从表面开裂或者试样通过而不失效。因此需要提出一个简单可靠的方法来预测高强钢疲劳失效的临界夹杂物尺寸。
在超高周疲劳条件下，当高强钢从临界夹杂物开裂时，疲劳断口会呈现鱼眼特征，示意图如图2(a)所示，疲劳源夹杂物的三维形貌如图2(b)所示。当疲劳裂纹沿着临界尺寸为d0的夹杂物扩展一个微小距离Δr时，忽略高阶微小变量，其扩展面积和体积分别增大ΔS、ΔV，如公式(2)、(3)所示：
基于断裂力学，裂纹沿着断面扩展相应面积所需要消耗的能量ES应为裂纹扩展单位面积所需消耗的能量与扩展面积的乘积，如公式(4)所示：
其中，GIC为裂纹扩展阻力率，KIC为平面应变断裂韧性，E为弹性模量，ν为泊松比。
裂纹扩展所需消耗的能量由外加循环载荷提供，由于夹杂物周围存在应力集中，经过一定周次循环之后，夹杂物周围基体逐渐屈服，进而发生塑性变形、萌生疲劳裂纹直至最后断裂，疲劳裂纹扩展相应体积需要外加载荷所提供的能量EV可由公式(5)表示：
EV＝σb·ΔV， (5)
其中σb为抗拉强度。
当外加循环载荷所提供的能量EV达到裂纹扩展所需消耗的能量ES相等时，疲劳裂纹就会从临界夹杂物开裂直至最终试样疲劳断裂，联立公式(2)-(5)，即可获得临界夹杂物尺寸与抗拉强度、断裂韧性、弹性模量、泊松比的定量关系，如公式(1)所示。
通过变换公式(1)，可得到在强韧性坐标系中一系列通过原点的等夹杂物尺寸线(如图3中d1、d2、d3线所示)，如公式(6)所示：
对于一个具有任意强韧性匹配的高强钢，如图3中红色五角星所示，在强度-韧性坐标系中，有且仅有一条等夹杂尺寸线(d2线)通过该点，即在这条线上的所有数据点，其临界夹杂物尺寸(d0)都是相等的，均为d2，同理d1线、d3线上的强韧性数据点其临界夹杂物尺寸分别为d1、d3。
随后，通过不同热处理制度获得具有不同强韧性匹配的AISI 4340高强钢，分别进行拉伸、断裂韧性、弹性性能测试，用公式(1)计算不同热处理状态的AISI 4340高强钢的临界夹杂物尺寸，并进行超高周疲劳实验，统计疲劳源夹杂物尺寸对公式(1)的有效性进行了验证。
实施例1：
本实施例所使用的材料为AISI 4340高强钢，具体包含如下步骤：
(1)试样制备：首先通过不同热处理制度获得具有不同强韧性的高强钢；然后利用机械加工方法制备拉伸试样、三点弯曲断裂韧性试样、弹性模量试样，并用2000#砂纸对试样表面进行打磨处理。
(2)静态力学性能测试：按照国家标准GB/T 228.1-2010进行拉伸试验，测得高强钢的抗拉强度σb；按照国家标准GB/T 4161-2007进行三点弯曲断裂韧性试验，测得高强钢的断裂韧性KIC；按照国家标准GB/T 22315-2008用敲击共振法测得高强钢的弹性模量E、泊松比ν。
(3)利用公式(1)计算不同强韧性匹配的高强钢疲劳失效的临界夹杂物尺寸，利用公式(6)计算得到相应的等夹杂物尺寸线，在强韧性坐标系中，经过强韧性数据点的等夹杂物尺寸线即为疲劳失效的临界夹杂物尺寸，如图4所示。
(4)评估方法有效性验证：动态疲劳性能测试，用岛津USF-2000超声波疲劳试验机进行超高周疲劳试验，应力比R＝-1，采用压缩空气吹试样避免试样过热和氧化；用扫描电镜观察疲劳断口，用Image-Pro Plus软件统计垂直于加载方向的疲劳源夹杂物投影面积，并计算最小的疲劳源夹杂物尺寸；与步骤(3)估算的临界夹杂物尺寸进行对比，如图5所示。对于四种通过不同热处理获得的抗拉强度在1500MPa以上的AISI 4340高强钢，本发明估算的高强钢疲劳失效临界夹杂物尺寸与疲劳试验所获得的疲劳源最小夹杂物尺寸吻合较好，即：一方面由夹杂物诱导疲劳失效试样疲劳源夹杂物尺寸应当不小于估算的临界夹杂物尺寸；另一方面，随着抗拉强度提高，高强钢对夹杂物愈敏感，疲劳失效的临界夹杂物尺寸则越小，且高强钢倾向于从最大夹杂物处疲劳开裂，因此当抗拉强度在2GPa以上时，疲劳源最小夹杂物尺寸明显高于本发明估算的临界夹杂物尺寸，故而全部从夹杂物疲劳断裂，即从夹杂物疲劳断裂的比例接近100％，从表面疲劳断裂的比例接近0，如图6所示；而对于抗拉强度在1500～1850MPa范围的两种状态的高强钢，本发明估算的临界夹杂物尺寸则与疲劳源最小夹杂物尺寸较接近，当试样中最大夹杂物尺寸小于临界夹杂物尺寸时，则会从表面疲劳失效而不是从夹杂物处疲劳失效。相应的，试样从夹杂物疲劳断裂的比例下降，而从表面疲劳断裂的比例上升，如图6所示。综上，本发明提出的一种估算高强钢疲劳失效临界夹杂物尺寸的方法与疲劳实验结果吻合较好。
以上实施例仅仅是为详细阐释本发明的具体技术实施方法而非限制，任何熟悉本技术领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明科学原理的前提下，本领域技术人员在未做出实质性创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种估算高强钢疲劳失效临界夹杂物尺寸的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)通过不同热处理制度获得具有不同强度与韧性匹配的高强钢，其中，热处理制度采用不同的回火温度；
(2)进行室温拉伸实验，测得高强钢的抗拉强度σb；
(3)进行室温断裂韧性实验，测得断裂韧性KIC；
(4)进行弹性性能测试，获得弹性模量E和泊松比ν；
(5)将步骤(2)-(4)获得的抗拉强度σb、断裂韧性KIC、弹性模量E和泊松比ν数据带入高强钢疲劳断裂的临界夹杂物尺寸与抗拉强度、断裂韧性的本征关系式中，即可计算出高强钢疲劳断裂的临界夹杂物尺寸d0；所述临界夹杂物尺寸与抗拉强度、断裂韧性的本征关系式如公式(1)：
步骤(5)中，高强钢疲劳断裂的临界夹杂物尺寸与抗拉强度、断裂韧性的本征关系式所依据的科学原理如下：
(1)当疲劳裂纹沿着临界尺寸为d0的夹杂物扩展一个微小距离Δr时，忽略高阶微小变量，其扩展面积和体积分别增大ΔS、ΔV，如公式(2)、(3)所示：
(2)基于断裂力学，裂纹沿着断面扩展相应面积所需要消耗的能量ES应为裂纹扩展单位面积所需消耗的能量与扩展面积的乘积，如公式(4)所示：
其中，GIC为裂纹扩展阻力率，KIC为平面应变断裂韧性，E为弹性模量，ν为泊松比；
(3)裂纹扩展所需消耗的能量由外加循环载荷提供，由于夹杂物周围存在应力集中，经过一定周次循环之后，夹杂物周围基体逐渐屈服，进而发生塑性变形、萌生疲劳裂纹直至最后断裂，疲劳裂纹扩展相应体积需要外加载荷所提供的能量EV由公式(5)表示：
EV＝σb·ΔV (5)；
其中σb为抗拉强度；
(4)当外加循环载荷所提供的能量EV达到裂纹扩展所需消耗的能量ES时，即ES＝EV，疲劳裂纹就会从临界夹杂物开裂直至最终试样疲劳断裂，联立公式(2)-(5)，即可获得临界夹杂物尺寸与抗拉强度、断裂韧性、弹性模量、泊松比的定量关系，如公式(1)所示。
2.根据权利要求1所述的估算高强钢疲劳失效临界夹杂物尺寸的方法，其特征在于：步骤(2)中，拉伸试样的几何形状和尺寸及拉伸实验步骤应符合国家标准GB/T 228.1-2010，试样横截面采用圆形。
3.根据权利要求1所述的估算高强钢疲劳失效临界夹杂物尺寸的方法，其特征在于：步骤(3)中，断裂韧性试样的几何形状和尺寸及实验步骤应符合国家标准GB/T 4161-2007，采用标准三点弯曲试样试验。
4.根据权利要求1所述的估算高强钢疲劳失效临界夹杂物尺寸的方法，其特征在于：步骤(4)中，测量弹性性能样品的几何形状和尺寸及实验步骤应符合国家标准GB/T 22315-2008，采用动态测量方法-敲击共振法进行试验。
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