高强度金属材料的疲劳与断裂研究

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中文摘要：据估计90％服役金属结构件和零部件的失效行为是由于疲劳造成的。随铁路和航空等交通运输行业不断向高速度和重载荷方向发展，重大交通事故时有发生，因而疲劳断裂问题一直为科技工程界所关注。为了节省人力、物力和财力，自十九世纪中期以来，工程科技人员进行了大量研究探索疲劳与断裂理论，试图找出疲劳性能与常规力学性能的关系。前人的研究结果表明:在一定范围内，常用金属工程材料（钢铁、铜合金和铝合金等）的疲劳强度与抗拉强度呈线性关系，但当抗拉强度超过临界值后疲劳强度不再继续增加，甚至明显下降。最近二三十年，许多新型高强度材料（例如非晶合金、超高强度钢、超细晶和纳米材料）不断研制出来，而实验结果表明其疲劳强度远没有预测得那么高。总之，到目前为止，疲劳断裂理论尚需进一步完善，疲劳预测公式还需要进一优化。为了减少疲劳实验的影响因素，同时考虑到每种材料疲劳强度与抗拉强度之间存在由线性到非线性转变的临界抗拉强度，本文选择了三种不同强度水平、不同类型、不同制备工艺的典型高强金属材料:1）通过热处理获得第一代高强度钢40CrNiMoA抗拉强度范围在1300～2400MPa，跨过钢的临界强度1400MPa;2）通过热处理高强铜合金QBe2实现抗拉强度范围在500～1300MPa，高于铜合金的临界强度450MPa;3）通过不同道次等通道转角挤压(ECAP)技术及随后热处理的方法实现低碳钢20钢的抗拉强度范围在1400～1500MPa，在钢的临界值1400MPa附近。然后进行相关的组织结构表征、力学性能测试和断口观察，最后进行数据分析、归纳总结，找出不同力学性能与疲劳强度之间的关系和不同材料的疲劳断裂机制。 40CrNiMoA钢的实验结果表明:随抗拉强度不断提高，疲劳强度先提高接着下降;疲劳比随抗拉强度的提高线性下降。基于这个实验结果，引入缺陷敏感系数P，首次提出了普适性疲劳强度公式σw=σb(C-P·σb)。另外，实验结果还表明:随抗拉强度的提高或应力幅的下降，疲劳裂纹萌生位置由试样表面向内部夹杂物过渡。基于断裂力学，本文提出简化的应力强度因子模型，疲劳裂纹萌生位置的变化可以归因于应力强度因子范围与裂纹扩展门槛值之间关系的变化。结合疲劳裂纹萌生位置的变化和材料不同缺陷的竞争，疲劳断裂机制随抗拉强度的变化可以很好地解释。疲劳强度在高抗拉强度水平下降可以通过断裂力学来诠释，并可以将疲劳强度下降的原因归结为是疲劳裂纹萌生位置从表面到内部夹杂物的转变而引起的，在此基础上，可以推断在合适的抗拉强度水平出现最高疲劳强度。不同热处理铍铜合金QBe2的研究结果表明:随抗拉强度提高，疲劳强度先提高接着下降;若只考虑析出强化，疲劳比随抗拉强度的提高线性下降，疲劳强度随抗拉强度呈二次方程关系;在低强度水平部分疲劳裂纹萌生起源于试样的夹杂物，在高强水平所有疲劳裂纹萌生起源于解理面。基于前人的研究结果，总结了铜与铜合金的疲劳强度。通过比较发现经传统热处理的铍铜合金是铜合金中疲劳强度最高的合金之一。对不同道次等通道转角挤压技术及热处理后的20钢的实验结果表明:仅ECAP-道次处理即可实现抗拉强度与伸长率的同步提高;2道次处理能够获得最优的疲劳强度460MPa;然而4道次处理后其疲劳强度变差。这是因为增加ECAP道次一方面能够细化晶粒，另一方面则不可避免地引入一些缺陷。在这两方面的联合作用下，一两道次处理的样品热处理即可获得低碳钢最佳的力学性能。因此，对这类材料实施ECAP会变得相对容易、经济和高效，有利于其在工程界的广泛推广。基于上述三种材料的疲劳实验结果，提出缺陷竞争疲劳机制。即认为材料中存在两类缺陷:一类是内在缺陷（与材料本身有关的缺陷，如晶界、位错和析出相等），另一类是工艺缺陷（与生产技术或加工工艺有关的缺陷，如孔洞、非金属夹杂物和划痕等）。40CrNiMoA钢随抗拉强度的提高，其疲劳裂纹萌生先由内在缺陷控制逐渐过渡到由工艺缺陷控制;QBe2铍铜合金随晶界和析出物的变化，疲劳断裂由解理面疲劳裂纹萌生为主、缺陷为辅过渡到全部解理面疲劳裂纹萌生;20钢随ECAP道次的增加，马氏体团簇的尺寸逐渐减小，可见夹杂物数量越来越多，所以其疲劳强度随抗拉强度或ECAP道次的增加先提高后下降。通过W(o)hler关系和Basquin公式，系统地分析了多种金属材料S-N曲线的疲劳强度系数和疲劳强度指数。对于40CrNiMoA钢和QBe2铜合金，其疲劳强度系数都随抗拉强度的提高而线性提高，而其疲劳强度指数随抗拉强度的增加先基本不变然后线性下降;对于ECAP20钢，疲劳强度系数随ECAP道次的增加先增加后下降，疲劳强度指数基本不变。由于疲劳强度指数和疲劳强度系数的规律性变化，可以利用这两个系数进行准确地预测疲劳强度。另外，还可以利用各种强化手段，在设计或选择材料时通过增加疲劳强度系数或减小疲劳强度指数来提高材料或构件的疲劳强度。由40CrNiMoA钢总结出的普适性疲劳强度公式能够很好地描述大量以相同强化方法制备的传统金属材料（钢铁、铜合金和铝合金）和新型金属材料（超细晶和纳米材料）的抗拉强度与疲劳强度的关系，能够预测其最高疲劳强度及对应的抗拉强度，还能解释过高的抗拉强度不能带来高的疲劳强度的原因。新提出的普适性疲劳强度公式通过修正可以解释表面状态、试样尺寸和加载方式等因素对疲劳强度的影响。总之，该普适性疲劳强度公式可以为材料科技工作者提供新的线索或理念，通过调整材料常数C和P来进行疲劳强度预测或材料优化设计。

作者：

庞建超

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关键词：

高强度金属材料 40CrNiMoA钢铜合金低碳钢组织结构力学性能疲劳强度断裂机制

授予学位：

博士

学科专业：

材料物理与化学

导师：

张哲峰、李守新

学位年度：

2012

学位授予单位：

中国科学院大学

语种：

中文

中图分类号：