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夹杂物对超高强度钢微观破坏机制的研究

作　者: 梁锋
导　师: 王习术
学　校: 清华大学
专　业: 固体力学
关键词: 夹杂物低周疲劳 SEM原位观测疲劳断裂机理有限元模拟
分类号: O346
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

随着世界经济的发展,钢铁材料以高强、高韧、轻量、高功能化为目标进行着研究,在众多领域要求实现钢材的高强度化,可以说对于21世纪的钢铁材料来说,高强度化是一个大的发展领域。但是由于熔炼原料不纯或处理不当等一些冶炼原因,金属材料中总是或多或少的存在一些夹杂物(硬质或软质)。而在金属材料中即使存在很少量的夹杂物,也足以影响金属材料的性能,降低材料的质量尤其是使材料的关键力学性能指标——低周疲劳寿命大大降低。大量实验观察表明,硬质夹杂物是超高强度钢主要的裂纹萌生源。因此,研究高强度钢中夹杂物对钢的性能的影响就显得尤为重要。本文研究利用带有高清晰度扫描电子显微镜(SEM)的液压伺服疲劳试验机,对含有不同形状和大小的夹杂物的超高强度钢MA250和GE1014进行了原位观测实验研究。主要研究了的微观、瞬态时夹杂物附近裂纹生长行为和断裂机理。试验中不仅考察不同形状,大小夹杂物对超高强度钢的裂纹萌生与扩展行为的影响,还研究了不同载荷类型下的裂纹萌生与扩展行为,尤其是疲劳载荷下的夹杂物对疲劳裂纹萌生与扩展的影响。比较了夹杂物长轴平行加载方向时和垂直加载方向时裂纹不同的萌生位置及起因。在我们的大量试验结果中(薄试样、低周疲劳),超高强度钢夹杂物对疲劳裂纹萌生与稳态扩展的关键尺寸是10μm-20μm。疲劳裂纹萌生有三种基本形式:夹杂物开裂、夹杂物和基底材料的脱裂以及基底材料中滑移线上的开裂。微观结构很大程度上影响了微小裂纹的萌生与初始扩展,而外加载荷则决定了微小裂纹的稳态扩展阶段。本文还通过对各种情况下的断裂断口形貌特征进行了分析,比较了表面观察结果到疲劳失效过程和内部失效过程中的各种异同。这对了解超高强度钢的整个疲劳行为来说是一个很重要的内容。本文利用有限元方法粗略地对不同大小,形状的夹杂物对疲劳裂纹的影响进行了模拟计算,并与实验结果进行了对比。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第1章课题背景及意义  10-17
  1.1 超高强度钢的性能特点  10-11
  1.2 超高强度钢的应用  11-12
  1.3 超高强度钢的研究进展  12-13
    1.3.1 超高强度钢总体发展趋势  12
    1.3.2 我国超高强度钢的发展  12-13
  1.4 含夹杂物的超高强度钢微观破坏机制研究的意义  13-17
    1.4.1 不同类型夹杂物产生裂纹的模型模拟  13-14
    1.4.2 夹杂物附近疲劳裂纹萌生形式  14-15
    1.4.3 裂纹萌生过程  15-17
第2章试验的准备及试验结果的初步研究  17-46
  2.1 本试验用超高强度钢的制备  17-20
    2.1.1 金属的强化手段  17-18
    2.1.2 本试验用材料的制备方法  18-20
  2.2 实验装置  20-22
    2.2.1 扫描电子显微镜(SEM)工作原理  20-22
    2.2.2 扫描电子显微镜原位观测方法优点  22
  2.3 超高强度钢的表面微观结构的观测  22-25
    2.3.1 试样的准备  22
    2.3.2 用 SEM 观测到的样品表面形貌  22-25
  2.4 超高强度钢的拉伸及疲劳试验研究  25-36
    2.4.1 超高强度钢的拉伸试验  25-30
      2.4.1.1 MA250的拉伸试验  25-27
      2.4.1.2 MA250的拉伸试验小结  27
      2.4.1.3 GE1014 的拉伸试验  27-29
      2.4.1.4 GE1014 试样拉伸试验小结  29
      2.4.1.5 MA250 与GE1014 拉伸试验的比较  29-30
    2.4.2 含夹杂 MA250 超高强度钢的疲劳试验  30-36
      2.4.2.1 疲劳试验中裂纹的萌生与扩展  30-32
      2.4.2.2 不同阶段扩展速率的研究  32-34
      2.4.2.3 不同量取状态对裂纹开口度的影响  34-36
  2.5 影响裂纹萌生及初期扩展的因素  36-45
    2.5.1 夹杂物形状的影响  36-40
    2.5.2 夹杂物大小的影响  40-41
    2.5.3 表示压痕对裂纹扩展的影响  41-44
      2.5.3.1 标示压痕位置与夹杂物中裂纹萌生位置的关系  41-43
      2.5.3.2 标示压痕对裂纹扩展的影响  43-44
    2.5.4 影响裂纹萌生扩展因素的总结  44-45
  2.6 本章小结  45-46
第3章轴向拉伸与疲劳破坏断口的观察与分析  46-55
  3.1 本章引言  46
  3.2 断面观察设备及试件的准备  46
  3.3 超高强度钢静态拉伸及疲劳断口的观测与分析  46-54
    3.3.1 断口形貌及断裂模式  46-51
    3.3.2 夹杂物对断口的影响  51-54
  3.4 本章小结  54-55
第4章夹杂物附近应力场的有限元模拟  55-62
  4.1 应力场的模拟  55-62
    4.1.1 材料的属性  55
    4.1.2 边界条件和载荷  55-56
    4.1.3 有限元模拟  56-62
      4.1.3.1 夹杂物长轴平行外加载荷应力场的模拟  56-58
      4.1.3.2 实验结果与模拟结果的比较  58-60
      4.1.3.3 夹杂物长轴垂直外加载荷应力场的模拟  60-61
      4.1.3.4 实验结果与模拟结果的比较  61-62
第5章全文总结  62-65
  5.1 研究总结  62-64
  5.2 下一步要继续的工作  64-65
参考文献  65-68
致谢  68-69
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  69

夹杂物对超高强度钢微观破坏机制的研究

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