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Title: S38C车轴钢高周和超高周疲劳行为实验研究
Alternative Title: Experimental investigation on high cycle and very high cycle fatigue behavior of S38C axle steel
Author: 姜青青
Abstract: 合金材料超高周疲劳是指破坏周次在107以上的疲劳。合金材料的超高周疲劳表现出与传统疲劳明显不同的特征。从高周疲劳阶段开始,裂纹萌生位置往往由材料表面向材料内部转移,在超高周阶段,裂纹普遍由内部萌生。高周和超高周疲劳对缺陷非常敏感,微小的夹杂或孔洞等均可能成为裂纹源。现有研究表明,直径10微米量级的夹杂是高强钢超高周疲劳裂纹起源的主要诱因之一。在实际应用中,加工以及磨损造成的微小表面缺陷,其尺寸往往达到或超过这一量级,所以,构件表面缺陷对疲劳裂纹萌生和疲劳寿命将有显著的影响。因此,研究表面微小缺陷对高强钢高周和超高周疲劳的影响具有重要的意义。 本文用旋转弯曲加载和超声轴向振动加载两种方法对中碳车轴钢S38C进行了高周和超高周疲劳实验研究。疲劳加载前对试样进行了淬火及相应热处理,部分采用感应加热淬火,部分采用马弗炉加热淬火,其余为盐浴炉加热淬火,三种热处理得到了一致的回火马氏体组织,并且具有相同的显微硬度。为研究表面缺陷对中碳钢的高周和超高周疲劳行为的影响,在盐浴炉加热淬火试样的表面引入了缺陷,缺陷的引入采用了2种方法:1)显微硬度计压坑引入十微米量级缺陷,2)微型铣床钻孔引入百微米量级缺陷。对疲劳实验结果进行了整理分析,并用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)对疲劳断口进行了观察。 对于光滑试样,几种不同热处理工艺的疲劳实验结果如下: 感应加热淬火试样,S-N曲线持续下降,没有疲劳极限。在低周阶段破坏的试样,裂纹由表面起源,高周和超高周阶段发生破坏的试样,多从亚表面夹杂处起源,少量试样的裂纹起源于亚表面的晶界。亚表面起源试样的断口有明显鱼眼形貌,裂纹源位置可以看到粗糙区(FGA,Fine Granular Area),而不同试样其FGA形貌也有差异,寿命周次越高的试样FGA形貌越粗糙,寿命周次较低的试样其FGA粗糙特征相对不明显。马弗炉加热淬火的试样,S-N曲线与断口特征等和感应加热淬火试样规律相同。盐浴炉加热淬火的试样有疲劳极限,S-N曲线为折线型,且所有裂纹均由表面起源。 对于含有压坑缺陷的试样,相比于同样热处理工艺的光滑试样,疲劳强度有显著下降,但是疲劳破坏并未从压坑缺陷处起源,而是从距离压坑缺陷较远的表面位置起源。含有微小钻孔的疲劳试样,其疲劳强度也显著降低,裂纹于钻孔处起源。 为了进一步探究高周和超高周疲劳的裂纹萌生机理,选取部分试样在其断口的裂纹源区用聚焦离子束切割方法(FIB,Focused Ion Beam)切取了10μm(宽)×5μm(深)×80nm(厚)的剖面样品,在透射电子显微镜(TEM,Transmission Electron Microscope)下进行了更仔细的观察,并采用选区衍射(SAD,Selected Area Electron Diffraction)分析了该区域的显微组织特征,发现粗糙形貌明显的FGA区为一层几百纳米的细晶层,对于粗糙特征相对不明显的FGA区则没有发现细晶。对此用已有的大数往复挤压(NCP,Numerous Cyclic Pressing)模型进行了解释,并对模型进行了进一步的完善。关于表面缺陷对疲劳强度的影响,本文用现有的模型进行了评估,并与文献中数据进行了对比。
Degree Level: 博士
Issued Date: 2017
Degree Grantor: 中国科学院大学
Place of Degree Grantor: 北京
Supervisor: 洪友士
Major: 固体力学
Language: 中文
Other responsible: 中国科学院力学研究所
Call Number: 2017-064
Content Type: 学位论文
URI: http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/60612
Appears in Collections:非线性力学国家重点实验室_学位论文

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