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奥氏体不锈钢24Mn18Cr3Ni0.62N疲劳性能的研究

作　者: 刘瑜
导　师: 戴起勋
学　校: 江苏大学
专　业: 材料学
关键词: 高氮奥氏体不锈钢 疲劳试验 断口形貌 S-N曲线 疲劳寿命预测
分类号: TG115.57
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


本文以24Mn18Cr3Ni0.62N高氮奥氏体不锈钢为研究对象,研究了24Mn18Cr3Ni0.62N在室温下的拉伸性能,该新型奥氏体不锈钢拉伸时没有明显的屈服平台,力学性能为:σ0.2=525MPa,σb=890MPa,δ=41%,φ=57%。24Mn18Cr3Ni0.62N高氮钢具有很高的强度和优良的塑性,拉伸时形成的滑移带粗大、密集,若金相截面和某（111）γ面平行或接近平行,还可发现具有正三角形的形变组织,拉伸断口为韧性断口,块状夹杂物为裂纹发源地之一,净化材料可以进一步提高材料的抗拉强度。　同时,本文重点研究了24Mn18Cr3Ni0.62N高氮奥氏体不锈钢的拉-拉疲劳性能。分别在233K、293K和423K三个温度下、不同载荷水平下对试样进行疲劳试验,以获得高氮钢的疲劳寿命,并绘制S-N曲线。本文重点分析了σmax为398MPa、477 MPa、588 Mpa和796 MPa时的断口形貌,初步探究其疲劳断裂机理。对疲劳试样断口附近的形变组织进行观察,可知24Mn18Cr3Ni0.62N高氮奥氏体不锈钢室温下为单一的奥氏体组织,存在很多孪晶和层错。在切应力作用下,众多位错发生滑移会产生滑移线。滑移初期只有一个方向的滑移系统占主导地位,只能看到一个方向的滑移带比较明显,其他方向的滑移带只是隐约可见。形变发展的过程中,可以看到出现新方向的滑移带。随着变形量的加大,滑移线逐渐变宽,出现“台阶”现象。宏观断口上可观察到疲劳源区、裂纹扩展区和瞬断区。对断口进行微观分析,在裂纹扩展区可观察到疲劳条带、河流花样、解理台阶、沿晶裂纹,瓦纳线以及二次裂纹。在瞬断区可观察到许多韧窝。同时,对疲劳裂纹萌生的机制和扩展机理作了初步探索。疲劳断裂的微观机理可能是解理断裂和微孔聚集断裂的混合型断裂。利用S-N曲线,研究了高氮钢的拉-拉疲劳性能。用载荷作纵坐标,对应的疲劳寿命做横坐标绘制S-N曲线,得出的S-N曲线呈阶梯下降趋势。利用S-N曲线比较三个温度下高氮钢的疲劳性能,可知当疲劳循环周次Nf<2×105周次时,233K温度下高氮钢24Mn18Cr3Ni0.62N的疲劳性能优于293K和423K时的。当2×105<Nf<1×107时,高氮不锈钢的室温疲劳性能优于低温和高温的。S-N曲线平缓区域对应载荷应力幅约为:233K时405Mpa,293K时378MPa,423K时为382Mpa。由此可知,在此应力幅以下不锈钢试样仍然可发生疲劳断裂,并不存在传统疲劳概念上的“疲劳强度”和无限寿命,按照常规的107周次规定的疲劳强度设计判据是偏于危险的。结合常温拉伸试验的结果,对高氮钢的疲劳寿命进行预测。由实验测出的高氮不锈钢的拉伸应力-应变曲线,可确定材料微元屈服极限服从对数正态分布。经计算与分析,24Mn18Cr3Ni0.62N高氮不锈钢疲劳寿命估算值与实测值吻合较好,误差<20%,初步证明本文中提出的估算高周疲劳寿命的方法是可行的,对高氮不锈钢的疲劳寿命的预测起到一定指导意义。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章 绪论  11-26
  1.1 奥氏体不锈钢的发展  11-12
  1.2 高氮奥氏体不锈钢的发展  12-15
    1.2.1 高氮奥氏体不锈钢的制造  12-13
    1.2.2 高氮奥氏体不锈钢的应用  13-15
  1.3 氮在奥氏体不锈钢中的作用  15-18
    1.3.1 氮稳定奥氏体组织的作用  15
    1.3.2 氮对奥氏体不锈钢力学性能的影响  15-17
    1.3.3 氮对奥氏体不锈钢疲劳性能的影响  17
    1.3.4 加氮过高的弊端  17-18
  1.4 疲劳研究  18-20
    1.4.1 疲劳研究的目的和意义  18-19
    1.4.2 疲劳研究现状和趋势  19-20
  1.5 奥氏体不锈钢的疲劳性能研究  20-24
    1.5.1 奥氏体钢的低周疲劳研究  20-21
    1.5.2 奥氏体钢的高周疲劳研究  21-22
    1.5.3 奥氏体钢的疲劳形变组织  22-23
    1.5.4 疲劳的可靠性研究与寿命预测  23-24
  1.6 课题的选材及研究目的、内容  24-26
    1.6.1 本课题的选材及研究目的  24-25
    1.6.2 本课题的研究内容  25-26
第二章 试验材料和试验方法  26-30
  2.1 试验材料  26
  2.2 高氮奥氏体不锈钢室温拉伸试验  26-27
  2.3 高氮奥氏体不锈钢疲劳试验  27-29
    2.3.1 疲劳试样制备  27-28
    2.3.2 拉-拉疲劳试验  28-29
  2.4 疲劳形变组织的观察  29
  2.5 疲劳断口的扫描电镜分析  29-30
第三章 室温拉伸试验  30-39
  3.1 试验结果与分析  30-34
    3.1.1 拉伸性能  30-32
    3.1.2 拉伸形变组织  32-33
    3.1.3 拉伸断口形貌观察  33-34
  3.2 讨论  34-37
    3.2.1 氮的强化机理  34-37
    3.2.2 形变组织的位错  37
  3.3 本章小结  37-39
第四章 室温(293K)疲劳断口观察与断裂机理分析  39-52
  4.1 疲劳形变组织观察  39-40
  4.2 疲劳断口的宏观分析  40-41
  4.3 疲劳断口的微观形貌分析  41-48
  4.4 疲劳断裂机理  48-51
    4.4.1 疲劳裂纹的萌生机理  48-49
    4.4.2 疲劳裂纹的扩展机理  49-51
  4.5 本章小结  51-52
第五章 疲劳性能与寿命预测  52-63
  5.1 高氮不锈钢的疲劳性能  52-56
    5.1.1 S-N曲线绘制  52-55
    5.1.2 结论及分析  55-56
  5.2 疲劳寿命预测  56-63
    5.2.1 基本方程的建立及参量计算  56-57
    5.2.2 一次循环微观塑性应变(?)的计算  57-60
    5.2.3 寿命预测计算及分析  60-62
    5.2.4 结论  62-63
第六章 结论和后续工作  63-65
  6.1 结论  63
  6.2 后续工作建议  63-65
参考文献  65-68
致谢  68-69
攻读硕士期间发表的论文  69

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属学（物理冶金） > 金属的分析试验（金属材料试验） > 机械性能（力学性能）试验 > 疲劳与蠕变试验、断裂韧性试验
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