高強度鋼超高周疲勞性能

前言

　　鋼鐵材料是創(chuàng)造現(xiàn)代文明的基礎(chǔ)材料，足夠數(shù)量的優(yōu)質(zhì)鋼鐵材料是世界各國實現(xiàn)工業(yè)化的必要條件。20世紀(jì)鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)高速發(fā)展，形成了自動化程度很高的大規(guī)模生產(chǎn)流程。由于具有綜合性能優(yōu)異、價格低廉、資源豐富、環(huán)境友好、可循環(huán)利用等其他材料不可比擬的優(yōu)勢，鋼鐵材料仍將在2l世紀(jì)占據(jù)主導(dǎo)地位。近年來，隨著航空、航天、機(jī)械、交通和航海等行業(yè)的快速發(fā)展，對機(jī)械制造用高強度鋼鐵材料提出了新的要求和挑戰(zhàn)，要求其不但具有高強度，而且還具有高的安全性和可靠性。　　新一代鋼鐵材料是以細(xì)晶為核心并以高潔凈度和高均質(zhì)性三個主要特征共同構(gòu)成高性能結(jié)構(gòu)材料。通過前期國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目（973）“新一代鋼鐵材料重大基礎(chǔ)研究”（1998-2003年，首席科學(xué)家：翁宇慶）的施行，我國相關(guān)科技人員對超細(xì)晶鋼的組織細(xì)化與控制技術(shù)有了深入的認(rèn)識，并取得了實際的經(jīng)濟(jì)與社會效益。除細(xì)晶特征對鋼的性能具有重要影響外，高潔凈度和高均質(zhì)性對鋼的性能也同樣十分重要。非金屬夾雜物（以下簡稱夾雜物）的減少則是提高鋼潔凈度和均質(zhì)性的關(guān)鍵之一。夾雜物對鋼質(zhì)量的影響是十分巨大的。鋼中夾雜物的危害性就在于它破壞了鋼基體的均勻連續(xù)性，造成了應(yīng)力集中，能夠促進(jìn)疲勞裂紋的產(chǎn)生，并在一定條件下加速裂紋的擴(kuò)展速率，從而加速了疲勞破壞的過程。尤其是在高強度鋼超長壽命疲勞實驗中的長壽命階段，大部分疲勞斷裂起源于鋼中的夾雜物，即夾雜物等內(nèi)部缺陷的影響更為顯著。因此，要提高機(jī)械制造用鋼的強度水平和實現(xiàn)長壽命化，就必須合理控制由鋼中夾雜物等內(nèi)部缺陷所引起的這種疲勞破壞。

內(nèi)容概要

　　《高強度鋼超高周疲勞性能：非金屬夾雜物的影響》重點介紹了國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目（973）——“提高鋼鐵質(zhì)量和使用壽命的冶金學(xué)基礎(chǔ)研究”所屬課題“長疲勞壽命機(jī)械制造用高強度鋼的研究”部分的研究成果和開發(fā)的技術(shù)。　　《高強度鋼超高周疲勞性能：非金屬夾雜物的影響》重點從夾雜物尺寸的角度深入探討了其對高強度鋼超高周疲勞性能的影響規(guī)律?！陡邚姸蠕摮咧芷谛阅埽悍墙饘賷A雜物的影響》共分9章：第1章闡述了近年來材料疲勞研究的概況，特別闡述了對高強度鋼開展超高周疲勞研究的必要性；第2章簡要介紹了鋼中非金屬夾雜物的來源、種類、評定方法及對力學(xué)性能的影響；第3章綜述了超高周疲勞的實驗方法及研究進(jìn)展；第4章給出了臨界夾雜尺寸的估計方法并與實驗作了對比；第5章探討了夾雜物尺寸大小如何影響高強度鋼超高周S-N曲線的形狀；第6章對高強度鋼的超高周疲勞強度及壽命與夾雜物尺寸的關(guān)系，提出了新的表達(dá)式；第7章介紹了氫對高強度鋼超高周疲勞性能的影響；第8章介紹了如何評定鋼中的夾雜物尺寸；第9章總結(jié)了研究的經(jīng)驗與收獲，并提出了研究的新課題和方向?！陡邚姸蠕摮咧芷谛阅埽悍墙饘賷A雜物的影響》可供從事鋼鐵及其他金屬材料機(jī)理、材料性能、材料制備以及機(jī)械裝備制造的研究人員、設(shè)計與研發(fā)人員、

書籍目錄

1　高強度鋼超高周疲勞研究背景1.1　疲勞分類1.2　傳統(tǒng)疲勞研究的發(fā)展概況1.3　高強度鋼超高周疲勞研究必要性2　鋼中非金屬夾雜物2.1　鋼中非金屬夾雜物的來源與種類2.1.1　非金屬夾雜物的來源2.1.2　非金屬夾雜物的種類2.2　鋼中非金屬夾雜物的測量與評定2.2.1　金相法2.2.2　無損檢測法2.2.3　夾雜物濃縮檢測方法2.2.4　疲勞實驗檢測方法2.2.5　統(tǒng)計方法2.3　非金屬夾雜物對鋼力學(xué)性能的影響2.3.1　非金屬夾雜物對常規(guī)力學(xué)性能的影響2.3.2　非金屬夾雜物對疲勞性能的影響3　超高周疲勞的實驗方法及研究進(jìn)展3.1　超高周疲勞實驗方法3.1.1　超聲波疲勞研究的發(fā)展3.1.2　超聲波疲勞實驗設(shè)備3.1.3　超聲波疲勞實驗原理3.2　超高周疲勞的研究進(jìn)展3.2.1　S-N曲線特性3.2.2　斷口特征與機(jī)制3.2.3　疲勞強度與夾雜物尺寸的關(guān)系4　臨界夾雜物尺寸問題4.1　夾雜物與其他缺陷尺寸的等效性4.1.1　Murakami夾雜物等效投影面積模型4.1.2　表面粗糙度等效缺陷尺寸4.2　臨界夾雜物尺寸的估計4.2.1　臨界夾雜物尺寸的定義4.2.2　臨界夾雜物尺寸的估算4.3　實驗及其結(jié)果4.3.1　實驗材料和實驗方法4.3.2　疲勞裂紋源及疲勞強度4.3.3　分析與討論4.4　小結(jié)5　S-N曲線特性與夾雜物尺寸問題5.1　實驗材料與方法5.2　實驗結(jié)果5.2.1　微觀組織5.2.2　S-N曲線5.2.3　斷口形貌觀察5.2.4　疲勞源區(qū)的元素面分布5.3　討論5.3.1　潔凈高強度彈簧鋼的超高周疲勞性能5.3.2　夾雜物尺寸對超高周疲勞S-N曲線的影響5.4　小結(jié)6　疲勞強度與疲勞壽命的估計6.1　疲勞強度的估計6.1.1　由表面與內(nèi)部夾雜物決定的疲勞強度σw6.1.2　由GBF決定的疲勞強度σw96.2　疲勞壽命的估計6.2.1　疲勞壽命與夾雜物尺寸的關(guān)系6.2.2　實驗求m值6.3　小結(jié)7　氫對高強度鋼超高周疲勞行為的影響7.1　GBF區(qū)的形成與疲勞斷裂機(jī)制7.1.1　GBF區(qū)邊界的應(yīng)力強度因子門檻值7.1.2　由氫引起的應(yīng)力強度因子7.2　氫對高強度鋼疲勞強度的影響7.2.1　實驗材料與方法7.2.2　氫對高強度鋼硬度的影響7.2.3　氫對疲勞性能的影響7.3　小結(jié)8　夾雜物評定標(biāo)準(zhǔn)與統(tǒng)計方法8.1　夾雜含量評定國家標(biāo)準(zhǔn)8.2　估計最大夾雜物尺寸的兩個統(tǒng)計方法8.2.1　統(tǒng)計極值(SEV)方法8.2.2　廣義帕雷托分布(CPD)方法8.3　實驗驗證8.3.1　實驗材料與過程8.3.2　參數(shù)的確定8.3.3　疲勞強度下限的預(yù)測8.3.4　實驗結(jié)果與討論8.3.5　鋼中最大夾雜物尺寸估計的重要意義8.4　小結(jié)9　成功探索與今后需要研究的一些問題9.1　高強度鋼的長疲勞壽命化的成功探索9.1.1　客運專線彈條用彈簧鋼的長疲勞壽命化9.1.2　汽車變截面少片簧用長疲勞壽命彈簧鋼9.2　今后需要研究的一些問題9.2.1　高強鋼疲勞性能的優(yōu)化9.2.2　夾雜物類型與改性9.2.3　鋼基體中軟相和其他組織缺陷的作用9.2.4　如何更有效地評估夾雜物尺寸9.2.5　實驗頻率影響與試樣發(fā)熱問題9.2.6　超高周疲勞實驗合作研究參考文獻(xiàn)后記術(shù)語索引

章節(jié)摘錄

　　合金結(jié)構(gòu)鋼是鋼鐵產(chǎn)品中一類主要產(chǎn)品，在機(jī)械零件和工程構(gòu)件中使用量大、應(yīng)用面廣。近年來，國民經(jīng)濟(jì)各部門對合金結(jié)構(gòu)鋼提出了更高強度、更高安全性、長壽命和低成本的迫切要求。而磨損、腐蝕和斷裂是機(jī)械零件和工程構(gòu)件的三種主要破壞形式，也是這些零件和構(gòu)件失效的三種主要原因。在機(jī)械零部件中，每年因磨損和腐蝕而造成的經(jīng)濟(jì)損失都是十分可觀的。然而材料斷裂破壞因其常突然發(fā)生，導(dǎo)致災(zāi)難性的設(shè)備事故和人身事故，所以斷裂破壞更為工程界所重視。在機(jī)械的斷裂事故中，絕大部分是由于鋼的疲勞引起的C2）。因此，疲勞破壞是阻礙機(jī)械制造用鋼進(jìn)一步高強度化和長壽命化的主要原因之一，具有優(yōu)異的抗疲勞破壞性能的高強度鋼鐵材料是當(dāng)今機(jī)械制造領(lǐng)域追求的材料之一。　　對于高強度鋼的定義，目前還沒有統(tǒng)一與嚴(yán)格的界定。業(yè)界有這樣的認(rèn)識，高強度鋼其強度、韌性綜合性能應(yīng)該較好，抗拉強度一般在1200MPa以上；而超高強度鋼其抗拉強度在1500MPa以上。本書為了敘述簡便，不再將二者區(qū)別。　　鋼鐵材料一般隨著抗拉強度的提高，其疲勞強度也提高。但是當(dāng)鋼的強度級別提高到一定程度，比如抗拉強度達(dá)到約1250MPa時，其疲勞強度就往往不會隨著抗拉強度的提高而不斷提高，即使提高，也是比較有限的。人們已經(jīng)認(rèn)識到，鋼中的夾雜物在這里是非常大的影響因素，尤其是在超長壽命疲勞（也稱超高周疲勞）實驗中的長壽命階段，大部分疲勞斷裂起源于鋼中的夾雜物，即夾雜物等內(nèi)部缺陷的影響更為顯著。

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