高性能低成本38MnNS非调质钢的疲劳性能研究.pdf

年 月 第一期 高性能低成本 非调质钢的疲劳性能研究严国卫(宁波钢铁有限公司 宁波)摘 要:对非调质钢 进行了拉伸、高周疲劳试验、低周疲劳试验及金相组织观察测定了疲劳极限循环应力应变曲线应变寿命曲线及有关参量 高性能低成本 非调质钢通过添加廉价元素可有效提升其力学性能和寿命关键词:低周疲劳高周疲劳非调质钢 前言微合金非调质钢是集金属基础理论和现代材料加工短流程技术而发展起来的一种新型“绿色结构材料”并通过控轧或控锻 控冷方式直接达到调质钢的性能 由于其具有节能、节材、降耗减排和高性价比等特点因而被广泛应用于汽车、拖拉机、石油、建筑、矿山机械和模具行业目前工业上应用最为广泛的是铁素体 珠光体型非调质钢 这类钢的化学成分特点是在中碳钢的基础上除了添加硅、锰元素还添加钒、钛或铌等元素以使这些元素能与钢中碳、氮结合形成弥散的碳化物氮化物 上述碳化物和氮化物在高温时难以溶解在低温下析出有抑制晶粒长大和沉淀强化的效果 随着钒、铌铁合金价格不断攀升非调质钢中加入钒、铌元素使非调质钢的制备成本也随之提高这些因素无疑均阻碍了非调质钢的进一步扩大应用与发展高性能低成本 非调质钢通过添加兼有固溶强化、弥散强化以及延缓碳(氮)化合物析出的廉价元素以及调整锻(轧)制过程的工艺参数控制氮化铝颗粒的沉淀析出使其在不影响塑韧性的基础上提高钢的强度 因某汽车零部件公司摆臂零件认证需要对 非调质钢原材料进行了力学性能、金相组织及疲劳试验等认证 试验用钢与方法.试验用钢及试样试验用钢为工业商品钢 其化学成分为():.:.:.:.:.:.:.:.:.试 样 用 圆钢热锻成 圆棒然后加工成相应试样 拉伸和高周疲劳试样采用 的试样低周疲劳试样采用 (标距)圆试样拉伸和低周疲劳试验均在电液伺服 试验机上进行高周疲劳试验在 高频疲劳试验机上进行.试验方法低周疲劳试验按/中的试验方法把试样加工成 的循环应变疲劳试样 件 试验在电液伺服试验机上进行计算机自动记录试验过程中的载荷、应力、应变和疲劳周次等相关信息 加载谱为正弦波应变疲劳试验的应变比 频率.失效确定采用载荷下降法取峰值载荷下降到 时或断裂试件失效高周疲劳试验的加载、应力水平的选取、应力计算、疲劳失效判据、试验过程的监控等均按标准/金属材料疲劳试验轴向力控制方法在 高频疲劳试验机上进行 计算机对试验进行实时监控并且载荷控制加载模式为拉拉加载载荷谱为正弦波循环应力比 .加载频率 .计算机自动记录疲劳周次 取试验载荷下降 或发现疲劳裂纹、疲劳断裂时的循环次数作为疲劳失效的终止寿命(疲劳失效判据)年 月 第一期 试验结果.钢的金相组织图 为 钢的金相图 其金相组织为网状铁素体 珠光体晶粒度 级图 钢金相组织图 钢拉伸曲线.拉伸试验结果 拉伸试验结果见表 其拉伸曲线见图 表 拉伸试验结果屈服强度./抗拉强度/伸长率/断面收缩率 /.注:表中的数据均为三个试样的平均值.低周疲劳试验基于试验数据按 拟合疲劳性能曲线如图.高周疲劳试验应用标准/金属材料疲劳试验轴向力控制方法中规定的数理统计分析原理并结合汽车材料的快速试验方法编制疲劳数据处理程序对 钢的疲劳试验数据进行分析并计算所获得存活率为、的 曲线分别见图 图 应变寿命曲线图 钢的 曲线从图 中可以得出 钢的高周疲劳极限如表 所示表 钢的高周疲劳极限存活率/非调质钢疲劳极限/(取 次)分析与讨论由于 钢应用于汽车的摆臂等零件上其在服役时所承受的载荷状态和环境条件导致其 年 月 第一期高性能低成本 非调质钢的疲劳性能研究 存在低周疲劳问题 研究其应变疲劳特性能够真实反应零件应变部位疲劳裂纹形成的情况应变疲劳性能参数是应变疲劳寿命分析的基本参数是衡量材料疲劳性能的重要指标.循环应力应变曲线及相关参数基于试验数据按 拟合循环应力应变曲线如图 用胡克定律分解其弹性及塑性应变后进行回归分析得到的、的值见表 图 钢循环应力应变曲线表 循环应力应变曲线参数材料循环应变硬化指数 循环应变强度系数/相关系数.注:的循环应变硬化指数均未考虑屈服平台循环软化或硬化是材料应变疲劳的重要特性与材料的组织结构如第二相粒子、位错密度、胞状组织、变形程度等因素有关 文献表明:当/.材料表现为循环硬化 钢的/.为.表现为一定的循环硬化与文献结果相一致.应变寿命曲线相关参数根据胡克定律分解其弹性及塑性应变进行回归处理得到的应变疲劳参数列于表 因此 钢的/关系可描述为:.().().表 应变疲劳参数材料疲劳强度系数/疲劳强度指数相关系数疲劳延性系数疲劳延性指数相关系数.疲劳延性指数 的取值一般在.之间它的大小反映了材料承受循环塑性应变的能力试验结果的 值为.本试验结果与之相一致 值同时表示应变寿命曲线塑性应变分量线的斜率其值越小塑性应变分量线越平在一定应变下的塑性寿命越高 因此 钢制零部件具有较高的大载荷下的使用寿命.力学性能和疲劳极限某汽车公司技术规范对摆臂原材料的要求:.从拉伸试验结果看(表)钢的抗拉强度、屈服强度及伸长率达到汽车厂的要求且塑性指标(伸长率)富余量较大高周疲劳试验结果表明(表)钢疲劳极限 也显著高于汽车厂要求的 结语高性能低成本 非调质钢通过添加廉价元素控轧控冷工艺生产的圆钢经过力学性能、金相组织及疲劳试验等检测其力学性能、组织、疲劳极限等达到汽车厂的技术要求通过的汽车厂的原材料认证参考文献董成瑞任海鹏金同哲等.微合金非调质钢.北京冶金工业出版社:.戈康达著.金属的疲劳与断裂.颜鸣皋刘才穆译上海上海科技出版社:.王栓柱.金属疲劳.福州福建科学技术出版社:.收稿日期: