In-depth analysis of the fatigue mechanism induced by inclusions for high-strength bearing steels

A numerical study of stress distribution and fatigue behavior in terms of the effect of voids adjacent to inclusions was conducted with finite element modeling simulations under different assumptions.Fatigue mechanisms were also analyzed accordingly.The results showed that the effects of inclusions on fatigue life will distinctly decrease if the mechanical properties are close to those of the steel matrix.For the inclusions,which are tightly bonded with the steel matrix,when the Young’s modulus is larger than that of the steel matrix,the stress will concentrate inside the inclusion;otherwise,the stress will concentrate in the steel matrix.If voids exist on the interface between inclusions and the steel matrix,their effects on the fatigue process differ with their positions relative to the inclusions.The void on one side of an inclusion perpendicular to the fatigue loading direction will aggravate the effect of inclusions on fatigue behavior and lead to a sharp stress concentration.The void on the top of inclusion along the fatigue loading direction will accelerate the debonding between the inclusion and steel matrix.     

夹杂物对超高强度钢应力应变场的影响

非金属夹杂物对钢性能的影响与夹杂物的特征参数密切相关.首先分析拉伸和疲劳载荷下超高强度钢中TiN夹杂物导致裂纹萌生的扫描电镜原位观察结果,采用MSC Marc有限元分析软件对夹杂物及周围基体的应力场进行计算,然后对拉伸载荷下不同特征参数的TiN夹杂物及周围基体的应力应变场进行模拟.结果表明,有限元法能够解释并预测夹杂物及周围基体的力学行为.三角形夹杂物尖角附近的应力集中最严重.矩形夹杂物内部高应力区的位置受夹杂物与外载荷方向夹角的影响.随邻近夹杂物间距的增大,基体内的最大应力由夹杂物外侧移至夹杂物之间.近表面夹杂物使得基体自由表面附近出现高应力区,基体内最大应力的位置受夹杂物与自由表面距离和尺寸的影响.     

Effect of main inclusions on crack initiation in bearing steel in the very high cycle fatigue regime

This work aims to investigate the effect of main inclusions on crack initiation in bearing steel in the very high cycle fatigue (VHCF) regime. The size and type of inclusions in the steel were quantitatively analyzed, and VHCF tests were performed. Some fatigue cracks were found to be initiated in the gaps between inclusions (Al₂O₃, MgO-Al₂O₃) and the matrix, while other cracks originated from the interior of inclusions (TiN, MnS). To explain the related mechanism, the tessellated stresses between inclusions and the matrix were calculated and compared with the yield stress of the matrix. Results revealed that the inclusions could be classified into two types under VHCF; of these two, only one type could be regarded as holes. Findings in this research provide a better understanding of how inclusions affect the high cycle fatigue properties of bearing steel.     

Effects of the shape and size of rectangular inclusions on the fatigue cracking behavior of ultra-high strength steels

The fatigue cracking behavior of ultra-high strength steels containing rectangular inclusions of small sizes were investigated based on in situ observations by scanning electron microscopy (SEM). The size and shape of rectangular inclusions affect markedly the initiation site and propagation path of a fatigue crack. Especially, the initiation site of a fatigue crack depends strongly on the angle between the long-axis of a rectangle inclusion and the loading direction, and the length/width ratio of this rectangle inclusion because the residual stress distribution fields vary with these conditions. The results coincide very well with those of finite element analysis.     

Ultrahigh cycle fatigue fracture mechanism of high-quality bearing steel obtained through different deoxidation methods

The mechanism of oxide inclusions in fatigue crack initiation in the very-high cycle fatigue(VHCF)regime was clarified by subjecting bearing steels deoxidized by Al(Al-deoxidized steel)and Si(Si-deoxidized steel)to ultrasonic tension-compression fatigue tests(stress ratio,R=−1)and analyzing the characteristics of the detected inclusions.Results show that the main types of inclusions in Si-and Al-deoxidized steels are silicate and calcium aluminate,respectively.The content of calcium aluminate inclusions larger than 15μm in Si-deoxidized steel is lower than that in Al-deoxidized steel,and the difference observed may be attributed to different inclusion generation processes during melting.Despite differences in their cleanliness and total oxygen contents,the Si-and Al-deoxidized steels show similar VHCF lives.The factors causing fatigue failure in these steels reveal distinct differences.Calcium aluminate inclusions are responsible for the cracks in Al-deoxidized steel.By comparison,most fatigue cracks in Si-deoxidized steel are triggered by the inhomogeneity of a steel matrix,which indicates that the damage mechanisms of the steel matrix can be a critical issue for this type of steel.A minor portion of the cracks in Si-deoxidized steel could be attributed to different types of inclusions.The mechanisms of fatigue fracture caused by calcium aluminate and silicate inclusions were further analyzed.Calcium aluminate inclusions first separate from the steel matrix and then trigger crack generation.Silicate inclusions and the steel matrix are closely combined in a fatigue process;thus,these inclusions have mild effects on the fatigue life of bearing steels.Si/Mn deoxidation is an effective method to produce high-quality bearing steel with a long fatigue life and good liquid steel fluidity.     

硫化物对GCr15轴承钢疲劳寿命的影响

硫使钢产生“热脆”,异相夹杂物使钢基体产生嵌镶应力,对基体产生划伤、割裂作用,破坏机体的连续性.不同类型异相夹杂因其形状、性能、分布、线膨胀系数等的不同而对基体产生的影响迥异.硫化物夹杂因其塑性好、线膨胀系数大、对轴承钢疲劳寿命影响较小.对硬脆夹杂物有包裹作用而对轴承钢疲劳裂纹的产生、发展有一定阻碍作用.但在脆性夹杂物大幅度降低条件下,硫(硫化物杂夹)含量范围应当予以限制.     

MnS夹杂对钢中氢扩散行为的影响

通过实验和有限元计算研究了MnS夹杂对钢中氢扩散行为的影响. 结果表明:当MnS夹杂长度取向与氢渗透方向平行时,氢在钢中的表观扩散系数随MnS含量的增加而增加;当MnS夹杂长度取向与氢渗透方向垂直时,氢在钢中的表观扩散系数随MnS含量的增加而降低. 对于具有扩散通道效应和陷阱效应的第二相,它对氢扩散的影响取决于扩散通道效应和陷阱效应的强弱以及第二相的形状、数量和取向.     

高应变率拉伸下纳米空洞的成核与早期生长

利用分子动力学方法研究了单晶铜中纳米空洞的成核与早期生长过程.研究结果表明：高应变率拉伸作用下,在缺陷原子或空位密集区首先启动（111）-[211],（111）-[211],（111）-[211],（111）-[211]4个滑移系的位错.空洞在特定滑移系层错交叠,即（111）-[211]和（111）-[211]滑移系的层错交叠以及（111）-[211]和（111）-[211]滑移系的层错交叠形成的空穴串处成核.这些空穴串分别沿[011]和[011]方向,与加载方向垂直.相对于其他的滑移系交叠,这种滑移系交叠形成的空穴串的截面积最大.此后,空洞通过发射位错长大,形状类似长条形;伴随其他类型位错的生长,空洞逐渐演化为柱形-椭球形-类球形.对于含双空洞的单晶铜体系,受已存空洞周围应力分布的影响,多个滑移体系同时启动,空洞在3个滑移系的层错交汇点的空穴处成核,其形状受交汇处位错线运动方向的影响,类似扁三角形,并在位错的滑移和攀移作用下逐渐演化为类球形.我们根据畸变场计算了3个层错面交叠处的空穴体积,发现108个不同交叠构型中,只有4种构型的交叠引起的空穴体积最大,空洞成核容易,其他情况不能使空洞成核.     

P/M Rene95合金夹杂物微观力学行为观察

以典型粉末高温合金P/M Rene95为研究对象,在扫描电镜原位下观察了其中尺寸不同的陶瓷夹杂物在拉伸载荷下导致裂纹萌生的过程.结果表明,在SEM原位拉伸试验中,随着载荷的增加,裂纹在陶瓷夹杂物处萌生.Al2O3夹杂物的尺寸不同,导致裂纹萌生的方式不同.小尺寸的夹杂物引起的裂纹萌生易于产生在夹杂物内部,即夹杂物本身开裂,产生裂纹是在基体大面积屈服之后;而大夹杂物处的裂纹则是在合金基体未屈服之前萌生,位于夹杂/基体的界面.     

热轧钢延性损伤断裂过程各向异性的细观力学分析

对热轧钢中的长条形初始损伤孔洞承受不同方向最大正应力时的后续损伤演化和断裂的过程进行细观有限元分析.结果表明:热轧钢中的长条形夹杂物与基体剥离后形成的长条形孔洞在后续加载中,其周围产生的局部高应力应变集中及其相互作用使孔洞长大.孔洞长大行为存在明显的个体差异,个别大孔洞的快速长大和聚合对材料破坏起主导作用.当长条形孔洞承受不同方向的最大正应力加载时,孔洞周围产生的局部应力应变分布及其相互作用不同,孔洞长大速率及其聚合时的临界外加主应变不同,相应的材料延性起裂韧性不同.当最大正应力与孔洞长条平行时,韧性最高;垂直时,韧性最低.     

基于多孔洞体胞模型的韧性材料损伤机制

分别采用含100、50和25个随机分布微孔洞体胞模型,对体胞内应力分布和孔洞长大规律进行统计分析,在此基础上讨论采用含25个随机分布微孔洞体胞模型作为宏观材料代表性单元(RVE)来研究材料损伤机制的合理性,并对变形过程中体胞内各微孔洞演化过程进行了研究.结果表明:由于体胞内微孔洞的随机分布,造成孔洞周围基体材料最大三轴应力参数增加,从而导致该孔洞的快速增长,并带动周围微孔洞快速增长,这种孔洞的快速长大链式反应导致在很短的时间材料内出现大量微孔洞,并聚合形成微裂纹,直至试样最后失效,该结果较清楚解释了韧性材料圆棒试样只在颈缩阶段才会产生大量的微孔洞的试验现象的原因.含随机分布多微孔洞体胞模型能够用于分析周期分布微孔洞体胞模型无法反映的体胞内微孔洞非均匀发展的过程,因此更适合于研究韧性材料的损伤破坏机制.     

基于计算机层析识别的沥青混合料有限元模型

应用数字图像处理技术，结合有限元建模方法，建立了包舍集料、空隙和胶浆在内的沥青混合料有限元模型，并模拟研究了沥青混合料劈裂试验过程中，由于空隙分布、加载方向以及集料与胶浆模量比等指标的变化对沥青混合料内部微观力学特性的影响，发现沥青混合料中空隙与集料颗料的分布对最大拉应力分布有很大影响，集料与胶浆模量比的变化则只影响最大拉应力值的大小而不影响其出现的位置。结果表明，该方法可进一步推广应用于不同条件下沥青混合料微观力学响应仿真。     

初始损伤对钢的延性起裂韧性影响的细观力学分析

通过力学参数测量和微观观察研究了初始损伤对钢的延性起裂韧性影响.研究结果表明,随钢组织在预加载荷中产生的微孔洞初始损伤量的增加,其延性起裂韧性降低.并进一步对初始损伤孔洞在后续加载中的演化行为的细观有限元力学进行模拟计算及微孔洞初始损伤对钢的延性起裂韧性影响的机理进行了研究.计算结果表明,初始大尺寸孔洞长大速度比较快,且在这些孔洞之间存在变形局部化,容易诱发二次小孔洞的形核和长大,从而使一次初始大孔洞连接,使材料延性起裂,因而大尺寸初始损伤孔洞主导了材料的延性起裂.随初始损伤量的增加,大尺寸孔洞的数量和尺寸增加,使孔洞聚合(延性起裂)时的应变降低,这也就是随着预载荷比P0/Pgy的增加,材料的延性起裂韧性Pi/Pgy降低的细观力学原因.     

频率对BG-P110油管钢腐蚀疲劳裂纹扩展的影响

油管服役工况下,受腐蚀介质和交变载荷的共同作用,腐蚀介质腐蚀油管内外壁而产生表面结构不连续。当有拉伸、弯曲、振动载荷出现时,表面结构不连续处会产生应力集中,发生腐蚀疲劳断裂失效。以宝钢BG-P110油管材料为对象,通过不同载荷频率下的疲劳和腐蚀疲劳裂纹扩展试验,分别测量大气和3.5 wt%Na Cl环境下的疲劳裂纹扩展速率。结合断口形貌和成分分析,分析频率对BG-P110油管材料腐蚀疲劳裂纹扩展的影响。交变载荷相同时,腐蚀环境加快BG-P110油管的疲劳裂纹扩展速率;腐蚀环境相同时,频率越低BG-P110油管疲劳裂纹扩展速率越大。     

原位观察MnS对非调质钢拉伸性能各向异性的影响

利用激光共聚焦扫描显微镜原位观察S质量分数为0.065%的非调质钢纵向与横向拉伸过程中MnS的行为,研究MnS形貌与分布对非调质钢各向异性的影响.原位观察表明锻后钢中存在大量长条形MnS,横向与纵向拉伸过程中MnS长度方向与拉力方向取向不同.横向拉伸过程中MnS更易与基体分离产生裂纹,裂纹随MnS长度方向扩展长大,最终导致基体的断裂. MnS在纵向拉伸时不易与基体分离,因此对纵向拉伸性能影响较小.钢中群聚分布的MnS有利于裂纹的聚合长大,会促进基体的断裂.     

考虑粗集料和空隙的沥青混合料粘弹性细观力学分析

利用细观力学方法分析了粗集料和空隙对沥青混合料的粘弹性能的影响。在Laplace空间域内,分别对粗集料和空隙利用细观力学的Mori-Tanaka等效夹杂理论解决了沥青混合料的混合夹杂问题。然后基于宏观平均场理论,从沥青砂浆基体粘弹性能推导了沥青混合料的粘弹性能。以单轴和简单剪切应力下的预测为例,分析了粗集料和空隙对沥青混合料性能的影响,结果发现：复合材料细观理论可以成功地从性质均匀的沥青砂浆粘弹性能预测性质复杂的沥青混合料粘弹性能,沥青混合料粘弹本构方程可以表示为粗集料和空隙的综合影响系数与沥青砂浆粘弹本构方程的乘积形式。空隙率的增大会导致综合影响系数呈线性减小,而粗集料体积分数的增大会使其呈指数规律迅速增大,说明空隙和粗集料对沥青混合料的粘弹性能分别起到衰减和增强作用,但空隙的衰减作用弱于粗集料的增强作用。粗集料和空隙对沥青砂浆的综合影响体现为增强作用（2～10倍）,且剪切应力下增强作用近似是单轴应力下的2倍。沥青砂浆基体泊松比对综合影响系数的影响甚微,在以后的研究中可以取定值。     

球形非金属夹杂物的应力分析

本文给出了金属中球形非金属夹杂物在外加应力作用下以及基体产生塑性变形后的应力分析结果,讨论了影响夹杂物应力特性的主要影响因素及其对断裂模式的影响,提出夹杂物作为基体解理引发源的必要条件之一是夹杂物与基体界面有足够的结合强度。     

氧化物夹杂对热轧带钢拉伸性能的影响

分析横向拉伸性能偏低的热轧带钢试样发现,其氧化物夹杂含量较多,且主要是沿轧制方向的带状夹杂物;其存在破坏了金属的连续性,在拉伸过程沿带状夹杂物的垂直方向会产生破裂.分析认为冶炼终点碳含量低,脱氧后钢包搅拌效果差,脱氧产物上浮不充分是其主要原因.冶炼过程中应控制好终点碳,加强脱氧操作,减少钢中的夹杂物含量,提高热轧带钢的拉伸性能.     

预制表面缺陷对钢滚动接触疲劳性能的影响

10Cr4Ni4Mo4V是在Cr4Mo4V的基础上研制的航空发动机轴承材料。为研究表面损伤对这两种材料疲劳性能的影响,通过含预制表面缺陷和无表面缺陷的滚动接触疲劳实验,研究了表面洛氏缺陷及其边缘突起对这两种材料接触疲劳性能的影响。通过扫描电镜分析了含表面缺陷试样疲劳发展过程及失效形貌,用X射线应力测定仪测量了试样实验前后残余应力随表面至芯部距离的分布。结果表明,表面缺陷以及缺陷边缘的突起均使材料疲劳性能劣化,10Cr4Ni4Mo4V的接触疲劳性能优于Cr4Mo4V。     

感应加热中间包夹杂物的运动及去除

针对某钢厂双通道式感应加热中间包,建立了三维非稳态数学模型来研究感应加热中间包内夹杂物的运动行为和去除率.从力平衡原理出发,采用欧拉-拉格朗日方法分析了感应加热中间包内夹杂物的运动行为.建立了感应加热情况下夹杂物碰撞长大的数学模型,考察了夹杂物碰撞长大对其去除率的影响.结果表明,钢液流过通道受到紧箍作用,夹杂物会受电磁压力作用而向通道壁面运动,有利于夹杂物的去除;碰撞长大能够显著提高小粒径夹杂物的去除率;感应加热有助于夹杂物的去除,尤其是小粒径夹杂物.