CN114184504A - 一种通过显微硬度预测双相钢疲劳强度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过显微硬度预测双相钢疲劳强度的方法，属于材料科学与工程应用技术领域。该方法首先进行微观组织分析和显微硬度测试，开展高周疲劳试验，通过新提出的关系进行建立某相平均显微硬度与疲劳强度的定量关系。该方法有效而准确地预测双相钢的疲劳强度，并且降低了疲劳强度预测所需实验量，极大程度节约了时间，降低了财力和人力成本，可以推广应用到多相材料甚至复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及材料科学与工程应用技术领域，具体为一种通过显微硬度预测双相钢疲劳强度的方法。
背景技术
任何机械运动都避免不了疲劳的发生，因此疲劳已成为材料最主要的破坏方式。经过一百多年的研究，学者们在材料疲劳损伤和断裂方面找到了一些规律，并在材料抗疲劳强化方面已经取得了明显进步，但是疲劳强度的预测对于工业生产仍具有重要意义。
疲劳强度通常采用升降法计算，需要花费大量的人力、物力和财力。而硬度试验由于设备简单，操作方便、迅速，同时反映钢组织结构差异，其成本远远低于疲劳试验，因此通过建立硬度与疲劳强度的关系可大幅降低成本。
双相钢因具有软硬结合的两相组织，低的屈强比、高强度和高成形性，被广泛应用于汽车连杆和曲轴等构件。由于服役过程中承受交变载荷，因此对其预测疲劳强度具有重要意义。然而，双相钢的结构不均匀性加大了预测疲劳强度的难度，国内外相关研究较少，因此对此类钢提出有效精确的预测方法十分有必要。
发明内容
为了降低获取材料疲劳强度所需成本，本发明提供了一种通过显微硬度预测钢疲劳强度的方法，通过测试样品的某一相的平均硬度值，结合疲劳强度值计算材料相关参数，建立了影响硬度与疲劳强度的关系，即可实现疲劳强度的准确预测。该方法综合了材料的强度指标与结构组织指标，同时大量的降低了实验量需求，且无复杂的公式推导计算。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种通过显微硬度预测双相钢疲劳强度的方法，该方法具体包括如下步骤：
(1)选择多种具有不同硬度的同类双相钢，制备用于组织分析和显微硬度测试的双相钢样品；
(2)双相钢样品中的两相分别为A相和B相，对用于组织分析的双相钢样品进行金相观察与分析，分别统计A相和B相的体积分数(即A相和B相在双相钢中的占比)；
(3)对用于显微硬度测试的双相钢样品的两相进行显微硬度测试，分别获得A相和B相的多个显微硬度值，再分别计算出A相和B相的显微硬度平均值；
(4)对双相钢样品进行高周疲劳测试，获取疲劳强度；
(5)提出双相钢显微硬度与疲劳强度的关系，如公式(1)所示；
σw＝Cx×Hx (1)；
公式(1)中：σw为疲劳强度，Hx为双相钢中某一相x相的平均硬度值；Cx为x相相关参数，x相为A或B相；
(6)将步骤(5)获得的x相平均硬度值以及步骤(4)获得的疲劳强度代入公式(1)中，并根据公式(1)中拟合出相关参数Cx；
(7)将步骤(6)获得的Cx代入公式(1)计算双相钢疲劳强度。
上述步骤(1)中，样品需依次经过400#、800#、1200#、1500#、2000#砂纸进行打磨，然后抛光腐蚀后进行组织分析。
上述步骤(2)中，要求样品在多个不同放大倍数下统计A相和B相的体积分数，再取其平均值。
上述步骤(3)中，要进行显微硬度测试时，求压痕完全在同一相内，并且尽可能多取不同尺寸的某一相显微硬度值。
上述步骤(5)中，Cx为材料相关参数，仅适用于某种类型的相，例如铁素体或珠光体，否则预测精度会下降。
步骤(7)对疲劳强度的预测有以下方式：
第一种方式为：当步骤(3)计算出的A相和B相的显微硬度平均值差别较大(显微硬度差大于50kg/mm2)，并且步骤(2)统计的某一相的体积含量大于60％时，则在公式(1)中采用体积含量偏高的相的平均硬度值进行疲劳强度预测。
第二种方式为：当A相和B相的显微硬度平均值差别不大(显微硬度差小于50kg/mm2)时，可采用任一相的平均硬度值进行疲劳强度预测。
第三种方式为：当A相和B相的显微硬度平均值差别较大(显微硬度差大于50kg/mm2)，且步骤(2)统计的两相体积含量相差不大(某一相的体积含量为40-60％)时，将A相或B相的Cx值与HX值代入公式(1)中，将计算得到的疲劳强度与实际测试得到的疲劳强度进行分析比对，选取准确度更高的相的Cx值用于该类材料的疲劳强度预测。
本发明的优点和有益效果如下：
1、现有技术中对材料疲劳强度的预测，均是材料整体性能及参数进行出发；本发明通过提出公式(1)对材料疲劳强度进行预测，提出了某一相的相关参数Cx，综合考虑了材料微观结构组织和静载荷下的力学性能对疲劳强度的影响，物理意义明确。
2、本发明的疲劳强度预测方法涉及相关参数少，对实验数据的样品需求小。
3、本发明预测方法计算简单且具有较高精度，通过建立静载荷下的力学性能与疲劳强度的关系，进行疲劳强度预测。所需时间少，极大程度节约时间、人力和金钱成本。可以推广应用到多相材料甚至复合材料。
附图说明
图1是软相铁素体较多的38MnVS钢材料的疲劳强度与软相硬度的关系。
图2是软相铁素体较多的38MnVS钢的软相硬度预测疲劳强度结果。
图3是硬相珠光体较多的38MnVS钢材料的疲劳强度与硬相硬度的关系。
图4是硬相珠光体较多的38MnVS钢的硬相硬度预测疲劳强度结果。
具体实施方式：
本发明为一种通过显微硬度预测双相钢疲劳强度的方法，下面结合实施例和附图对本发明进一步说明。
实施例1：
本实施例是对不同硬度的软相铁素体较多的38MnVS钢材料进行疲劳强度预测，对3种不同硬度的38MnVS钢材料进行测试(实验数据)，并用于预测其余未测试的1种38MnVS钢材料(验证数据)。
(1)对三种硬度的38MnVS钢材料进行取样，制备用于组织分析和显微硬度测试的样品。
(2)38MnVS钢的微观组织为铁素体和珠光体，对两相体积分数进行统计，铁素体体积分数分别为69％、74％、71％；珠光体体积分数分别为31％、26％、29％
(3)对退火态38MnVS的铁素体与珠光体两相分别进行硬度测试，取铁素体平均硬度值分别为159kg/mm2、171kg/mm2和191kg/mm2；珠光体平均硬度值为249kg/mm2、254kg/mm2和250kg/mm2
(4)进行高周疲劳试验，采用升降法计算疲劳强度，疲劳强度分别为345MPa、345MPa和470MPa。
(5)步骤(2)中，铁素体体积分数大于50％，且两相平均硬度差超过50kg/mm2。因此根据公式(1)，提出双相钢显微硬度与疲劳强度的关系，如公式(2)，
σw＝CF×HF (2)
公式(2)中：σw为疲劳强度，HF为双相钢中铁素体的平均硬度值；CF为铁素体相关参数。
(6)将步骤(5)中获得的铁素体平均硬度值以及步骤(4)获得的疲劳强度带入公式(2)中，根据公式(2)拟合相关参数CF为2.27。
(7)将步骤(6)获得的相关参数CF为2.27代入公式(2)中获得如下公式(3)。
σw＝2.27×HF (3)；
通过公式(3)可预测其他硬度的软相铁素体较多的38MnVS钢的疲劳强度。图1为软相较多的38MnVS的疲劳强度与软相平均硬度值的关系。图2显示了计算结果与试验结果的关系。
实施例2：
本实施例是对不同硬度的硬相珠光体较多的38MnVS钢材料进行疲劳强度预测，对1种硬相珠光体较多的38MnVS钢材料进行测试(实验数据)，并用于预测其余未测试的1种38MnVS钢材料(验证数据)。
(1)对实验材料38MnVS钢进行取样，制备用于组织分析和显微硬度测试的样品。
(2)38MnVS钢的微观组织为铁素体和珠光体，对两相体积分数进行统计，铁素体体积分数为13％；珠光体体积分数为87％。
(3)对38MnVS的铁素体与珠光体两相分别进行硬度测试，取铁素体平均硬度值为205kg/mm2；珠光体平均硬度值为275kg/mm2。
(4)进行高周疲劳试验，采用升降法计算疲劳强度，疲劳强度分别为385MPa。
(5)步骤(2)中，珠光体体积分数大于50％，且两相平均硬度差超过50kg/mm2。因此根据公式(1)，提出双相钢显微硬度与疲劳强度的关系，如公式(4)，
σw＝CP×HP (4)；
公式(4)中：σw为疲劳强度，HP为双相钢中珠光体的平均硬度值；CP为材料相关参数。
(6)将步骤(5)中获得的珠光体平均硬度值以及步骤(4)获得的疲劳强度带入公式(4)中，根据公式(4)拟合相关参数CF为1.4。
(7)将步骤(6)获得的相关参数CP为1.4代入公式(4)中获得如下公式(5)。
σw＝1.4×HP (5)；
通过公式(5)可预测其他硬度的硬相珠光体较多的38MnVS钢的疲劳强度。图3为硬相较多的38MnVS的疲劳强度与硬相平均硬度值的关系。图4显示了计算结果与试验结果的关系。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及性能，并非全部内容，人们还可以根据本实施例在无需创造性劳动前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (8)
1.一种通过显微硬度预测双相钢疲劳强度的方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
(1)选择多种具有不同硬度的同类双相钢，制备用于组织分析和显微硬度测试的双相钢样品；
(2)双相钢样品中的两相分别为A相和B相，对用于组织分析的双相钢样品进行金相观察与分析，分别统计A相和B相的体积分数(即A相和B相在双相钢中的占比)；
(3)对用于显微硬度测试的双相钢样品的两相进行显微硬度测试，分别获得A相和B相的多个显微硬度值，再分别计算出A相和B相的显微硬度平均值；
(4)对双相钢样品进行高周疲劳测试，获取疲劳强度；
(5)提出双相钢显微硬度与疲劳强度的关系，如公式(1)所示；
σw＝Cx×Hx (1)
公式(1)中：σw为疲劳强度，Hx为双相钢中某一相x相的平均硬度值；Cx为x相相关参数，x相为A相或B相；
(6)将步骤(5)获得的x相平均硬度值以及步骤(4)获得的疲劳强度代入公式(1)中，并根据公式(1)中拟合出相关参数Cx；
(7)将步骤(6)获得的Cx代入公式(1)计算双相钢疲劳强度。
2.根据权利要求1所述的通过显微硬度预测双相钢疲劳强度的方法，其特征在于：步骤(1)中，样品需依次经过400#、800#、1200#、1500#、2000#砂纸进行打磨，然后抛光腐蚀后进行组织分析。
3.根据权利要求1所述的通过显微硬度预测双相钢疲劳强度的方法，其特征在于：步骤(2)中，要求样品在多个不同放大倍数下统计A相和B相的体积分数，再取其平均值。
4.根据权利要求1所述的通过显微硬度预测双相钢疲劳强度的方法，其特征在于：步骤(3)中，进行显微硬度测试时，要求压痕完全在同一相内，并且尽可能多取不同尺寸的某一相显微硬度值。
5.根据权利要求1所述的通过显微硬度预测双相钢疲劳强度的方法，其特征在于：步骤(5)中，Cx为材料相关参数，仅适用于某种类型的相，例如铁素体或珠光体，否则预测精度会下降。
6.根据权利要求1所述的通过显微硬度预测双相钢疲劳强度的方法，其特征在于：当步骤(3)计算出的A相和B相的显微硬度平均值差别较大(显微硬度差大于50kg/mm2)，并且步骤(2)统计某一相的体积分数大于60％，则在公式(1)中采用体积含量偏高的相的平均硬度值进行疲劳强度预测。
7.根据权利要求1所述的通过显微硬度预测双相钢疲劳强度的方法，其特征在于：步骤(7)中，当A相和B相的显微硬度平均值差别不大(显微硬度差小于50kg/mm2)时，可采用任一相的平均硬度值进行疲劳强度预测。
8.根据权利要求1所述的通过显微硬度预测双相钢疲劳强度的方法，其特征在于：当步骤(3)计算出的A相和B相的显微硬度平均值差别较大(显微硬度差大于50kg/mm2)，且步骤(2)统计的两相体积含量相差不大(某一相的体积含量为40-60％)时，将A相或B相的Cx值与Hx值代入公式(1)中，将计算得到的疲劳强度与实际测试得到的疲劳强度进行分析比对，选取准确度更高的相的Cx值用于该类材料的疲劳强度预测。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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