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夾雜物對(duì)高強(qiáng)鋼超高周疲勞行為影響研究進(jìn)展
材料新視野
2014年02月05日科研人員首先對(duì)臨界夾雜尺寸進(jìn)行了研究。大尺寸夾雜對(duì)疲勞危害很大，而小尺寸夾雜對(duì)疲勞的危害很小，甚至對(duì)某些力學(xué)性能產(chǎn)生有益影響，對(duì)于臨界尺寸的了解和掌握有利于鋼材的質(zhì)量控制。因此對(duì)于一些高強(qiáng)鋼，在高周疲勞情況下（應(yīng)力循環(huán)次數(shù)一般在105-107周），夾雜物的臨界尺寸約在6-10微米。而在超高周疲勞情況下（應(yīng)力循環(huán)次數(shù)一般在107-109周），夾雜物的臨界尺寸約在3-5微米。另外，臨界夾雜尺寸隨強(qiáng)度提高趨向偏小的值。
研究發(fā)現(xiàn)，超高周疲勞強(qiáng)度 w 及疲勞壽命 Nf 隨夾雜物尺寸D增大而降低，其依賴關(guān)系可以分別表示為：
式中，n1～0.17-0.19, n2～4.3-8.4。
目前，一些商業(yè)用高強(qiáng)鋼疲勞斷口上導(dǎo)致疲勞開裂的夾雜物尺寸平均約20微米，如果經(jīng)過改進(jìn)冶煉水平，相應(yīng)斷口上夾雜物尺寸平均減少一半，達(dá)到10微米左右，可以預(yù)期疲勞強(qiáng)度將提高10%，疲勞壽命提高100倍（表達(dá)式（1）中，用n1=0.17, n2=6.5 估計(jì)）。該預(yù)測(cè)也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較符合，這也表明疲勞壽命對(duì)夾雜尺寸比較敏感。因此，對(duì)于高品質(zhì)的高強(qiáng)鋼，控制夾雜物尺寸對(duì)于提高抵抗疲勞破壞的可靠性非常重要。
科研人員還對(duì)高強(qiáng)鋼中不同氫含量以及不同夾雜物尺寸如何影響超高周疲勞性能開展了研究工作。用 w 表示具有很低氫含量高強(qiáng)鋼的疲勞強(qiáng)度， *w 為已經(jīng)過充氫后高強(qiáng)鋼的疲勞強(qiáng)度， 為氫對(duì)疲勞的影響因子，即
經(jīng)過實(shí)驗(yàn)獲得 的表達(dá)式為：
式中，CH 為氫含量（ppm）。實(shí)驗(yàn)表明，氫含量在1ppm以上將顯著影響疲勞強(qiáng)度，氫含量在2ppm時(shí)疲勞強(qiáng)度可能下降到原來的70%。
科研人員還對(duì)夾雜物尺寸如何影響高強(qiáng)鋼S-N曲線的形狀以及高強(qiáng)鋼中夾雜物作為疲勞起源的機(jī)制開展了深入研究。
由于疲勞斷口上疲勞起源處的夾雜往往是承擔(dān)最大應(yīng)力測(cè)試體積內(nèi)的最大夾雜，因此如果鋼中最大夾雜物尺寸和氫含量已知，就可以對(duì)其疲勞性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估。而利用統(tǒng)計(jì)極值法和廣義泊雷托法可以根據(jù)金相試樣上觀察到的多個(gè)夾雜物尺寸，預(yù)測(cè)不同體積鋼中最大夾雜物的尺寸。
在973項(xiàng)目（G19980615/G2004CB619100）的支持下，研究組與鋼鐵研究總院開展合作，獲得了比較系統(tǒng)的研究結(jié)果，發(fā)表了中文專著（高強(qiáng)鋼超高周疲勞性能-非金屬夾雜物的影響，冶金工業(yè)出版社，2010，北京）。