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中碳贝氏体型非调质钢的组织及疲劳破坏行为的研究

作　者: 胡芳忠
导　师: 雍岐龙
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 钒微合金化非调质钢贝氏体型非调质钢高周疲劳性能微观组织疲劳裂纹萌生与扩展
分类号: TG142.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

与传统的调质钢相比,非调质钢具有节约能源、成材率高、成品性能优良、生产周期短、成本低、减少环境污染等众多优点,可取代相当数量的调质钢。传统的非调质钢,强韧性较低,很难满足汽车的保安部件对钢材强韧性的要求,对此,国内外先后开发了具有良好强韧性配合的贝氏体型非调质钢,并开始用来替代Cr-Mo合金结构钢制造汽车保安部件。对于汽车保安部件,往往在交变应力状况下较长时间运转,容易产生疲劳断裂。为了提高贝氏体型非调质钢强韧性和疲劳性能,贝氏体钢往往采用微合金化技术。对此,本文主要研究微合金化对贝氏体型非调质钢微观组织及力学性能的影响,重点对新开发的三组贝氏体型非调质钢疲劳破坏行为进行理论探讨,并与铁素体+珠光体型非调质钢F38MnVS以及调质钢42CrMo进行了对比。对不同微合金化贝氏体型非调质钢的微观组织及力学性能研究结果表明：钢中加V后可使试验钢在更宽的冷却速度范围内获得细小的粒状贝氏体组织,固溶在基体中的V具有抑制铁素体在晶界上行核、促进贝氏体转变的作用。提高钢中V含量,可使粒状贝氏体组织得到进一步细化；Ti-V复合微合金化的组织细化效果较单一V微合金化更明显,而Nb-V复合微合金化没有明显的组织细化作用。钢中加V能够使试验钢的强度水平得到明显提高,冲击韧性得到一定程度的改善。提高含V钢中的N含量,可使试验钢的强度特别是屈服强度得到进一步提高。Ti-V复合微合金化对试验钢力学性能的改善幅度最大,而Nb-V复合微合金化则没有明显影响。对试验钢第二相析出规律的热力学计算及相分析结果表明,V在奥氏体中析出驱动力主要受N和V含量控制,提高N和V含量均可以提高V在试验钢中的析出量；但与铁素体+珠光体型非调质钢相比,V在贝氏体型非调质钢中的析出比例较低,析出强化作用明显较低。对设计的三组贝氏体型非调质钢以及铁素体+珠光体型非调质钢F38MnVS和调质钢42CrMo的疲劳破坏行为的研究结果表明：设计的三组贝氏体型非调质钢均具有细小均匀的贝氏体铁素体+M-A岛组成的粒状贝氏体组织,均具有良好的强韧性配合；其疲劳极限明显高于传统的铁素体+珠光体型非调质钢,与调质钢42CrMo相当。贝氏体型非调质钢疲劳裂纹萌生于晶内贝氏体铁素体板条之间,特别是容易在M-A岛与贝氏体铁素体边界位置萌生,并与受力方向呈一定角度优先沿贝氏体铁素体板条束方向扩展。M-A岛对疲劳裂纹扩展过程有明显的阻碍作用。对设计的三组贝氏体型试验钢及铁素体+珠光体型试验钢F38MnVS缺口试样疲劳破坏行为的研究结果表明：试验钢缺口试样的疲劳强度明显低于光滑试样。随着缺口应力集中系数的提高,疲劳强度先是急剧降低,随后降低的幅度减缓。与铁素体-珠光体型非调质钢相比,贝氏体型非调质钢具有更高的缺口疲劳强度和更低的缺口疲劳敏感系数。随着强度水平的提高,贝氏体型非调质钢的缺口疲劳敏感性增大。强度较高的两组贝氏体型非调质钢和强度较低的贝氏体型试验钢具有相当的缺口疲劳强度,这表明随着强度的提高,试验钢的缺口疲劳敏感性提高。对疲劳断口分析结果表明,试验钢的缺口疲劳裂纹均起源于试样的缺口根部的基体组织,缺口根部出现了明显的塑性变形；疲劳断口扩展区的疲劳裂纹以准解理机制扩展。疲劳裂纹扩展速率实验结果表明,具有贝氏体型非调质钢的疲劳裂纹扩展速率da/dN明显较铁素体+珠光体型非调质钢慢,M-A岛及残余奥氏体对疲劳裂纹扩展过程有明显的阻碍作用。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-8
目录  8-11
第一章绪论  11-34
  1.1 选题背景  11-13
  1.2 非调质钢的概况  13-18
    1.2.1 非调质钢的种类  13-14
    1.2.2 非调质钢的研发和应用概况  14-17
    1.2.3 贝氏体型非调质钢研发概况  17-18
  1.3 贝氏体钢的组织与性能特征  18-22
    1.3.1 贝氏体的分类  18-20
    1.3.2 粒状贝氏体的相变及组织特征  20-21
    1.3.3 贝氏体钢的组织与性能的关系  21-22
  1.4 微合金化元素在贝氏体型非调质钢中的应用  22-25
  1.5 疲劳性能的研究概况  25-33
    1.5.1 光滑试样疲劳性能  25-30
    1.5.2 缺口疲劳性能的研究概况  30-33
  1.6 本文的主要研究思路及内容  33-34
第二章实验材料及试验方法  34-41
  2.1 实验材料  34-36
  2.2 实验方法  36-41
    2.2.1 显微组织观察与分析  36
    2.2.2 析出相定量和定性分析  36-37
    2.2.3 力学性能实验  37
    2.2.4 热膨胀实验  37-38
    2.2.5 EBSD分析  38
    2.2.6 残余奥氏体测量及含碳量的计算  38-39
    2.2.7 疲劳试验方法  39
    2.2.8 疲劳裂纹扩展速率实验  39
    2.2.9 疲劳断口分析及表面疲劳裂纹观察  39-41
第三章 V微合金化对贝氏体非调质钢组织及力学性能的影响  41-77
  3.1 引言  41-42
  3.2 实验材料  42
  3.3 V微合金化对贝氏体型非调质钢组织的影响  42-49
    3.3.1 V含量的影响  42-45
    3.3.2 N含量的影响  45-46
    3.3.3 C含量的影响  46-47
    3.3.4 复合微合金化的影响  47-49
  3.4 V微合金化对贝氏体型非调质钢力学性能的影响  49-52
    3.4.1 单一V微合金化的影响  49-51
    3.4.2 复合微合金化对力学性能的影响  51-52
  3.5 V微合金化对贝氏体型非调质钢组织转变的影响  52-56
    3.5.1 过冷奥氏体连续转变曲线(CCT)  52-54
    3.5.2 不同加热温度对贝氏体型非调质钢组织转变的影响  54-56
  3.6 微合金化对贝氏体型非调质钢动态再结晶的影响  56-61
    3.6.1 应力应变曲线  56-60
    3.6.2 形变激活能的计算  60-61
  3.7 微合金化对析出相的影响  61-64
    3.7.1 析出相分析  61-63
    3.7.2 V在奥氏体中析出的PTT曲线  63-64
  3.8 讨论  64-75
    3.8.1 微合金化对析出相的影响  64-68
    3.8.2 微合金化对贝氏体型非调质钢组织转变的影响  68-70
    3.8.3 微合金化对贝氏体型非调质钢组织细化的影响  70-72
    3.8.4 V微合金化的贝氏体型非调质钢的强韧化机制  72-75
  3.9 本章小结  75-77
第四章中碳贝氏体型非调质钢的高周疲劳破坏行为  77-95
  4.1 引言  77
  4.2 实验材料  77-78
  4.3 实验结果及分析  78-91
    4.3.1 过冷奥氏体连续转变曲线(CCT)  78
    4.3.2 微观组织特征  78-81
    4.3.3 常规力学性能  81-82
    4.3.4 疲劳升降图及疲劳S-N曲线  82-84
    4.3.5 疲劳断口特征  84-87
    4.3.6 裂纹萌生机制观察  87-89
    4.3.7 裂纹扩展机制观察  89-91
  4.4 讨论  91-94
    4.4.1 微观组织对疲劳性能的影响  91-92
    4.4.2 强度对疲劳性能的影响  92-93
    4.4.3 V对疲劳性能的影响  93-94
  4.5 本章小结  94-95
第五章中碳贝氏体型非调质钢的缺口疲劳破坏行为  95-113
  5.1 引言  95
  5.2 实验材料  95-96
  5.3 实验结果及分析  96-108
    5.3.1 微观组织及常规力学性能  96-97
    5.3.2 微观组织对缺口疲劳性能的影响  97-100
    5.3.3 强度对缺口疲劳性能的影响  100-102
    5.3.4 疲劳断口分析  102-107
    5.3.5 疲劳裂纹扩展速率  107-108
  5.4 讨论  108-112
    5.4.1 微观组织对缺口疲劳敏感性的影响  108-111
    5.4.2 强度对缺口疲劳敏感性的影响  111-112
  5.5 本章小结  112-113
第六章结论及创新点  113-115
  6.1 论文主要结论  113-114
  6.2 论文主要创新点  114-115
致谢  115-116
参考文献  116-125
附录A：攻读博士学位期间所承担的科研任务及主要成果  125-127

中碳贝氏体型非调质钢的组织及疲劳破坏行为的研究

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