40SiMnCrNiMoV钢的断裂韧性的测定及热处理的影响

本工作是采用三点弯曲试验方法测定超高强钢40SiMnCrNiMov的平面应变断裂韧性K_(1c),按照ASTME399—72规范进行。 实验研究了若干热处理工艺对40钢断裂韧性的影响,包括断裂韧性和回火温度的关系;220℃到330℃之间等温转变对K_(1c)的影响以及不同淬火温度、回火对断裂韧性的影响。配合金相和电镜的观察对试验结果进行初步分析。提高淬火温度,保持低温回火可以增加K_(1c)值,稍高于Ms点的等温转变对断裂韧性的影响,值得进一步研究。     

用三点弯曲试样测试平面应变断裂韧性

本文对用三点弯曲试样测试高强度材料平面应变断裂韧性的一些基本概念、疲劳裂纹的予制、测试设备和测试方法作了初步的分析和介绍;并提供了测试50Cr4W3Mo2VSi钢的断裂韧性(K_(IC))的初步结果。     

K_(1c)的物理意义及其影响因素

本文企图从宏观和微观相结合的观点分析和讨论K_(1c)的物理意义及其影响因素。对于脆性断裂,通过表面能密度、裂纹尖端凝聚力场以及点阵“捕捉”作用说明K_(1c)的意义。用热力学原理分析了K判据的必要性和充分性,指出只有在裂纹尖端半径小于临界尺寸时,K判据才是必要和充分条件。 对于小范围屈服,裂纹尖端的钝化是通过尖端放射位错和吸引周围异号位错而形成的,这是最可能的物理过程。同时,着重指出Vitek的理论结果。 在弹塑性连续理论中,采纳了Orowan—Irwin有效断裂能密度的概念。用这概念及能量原理,本文建议要从试样塑性变形功中抽出属于K_(1c)组成部分的裂纹尖端塑性功。可以导出K_(1c)的表达式,形式上和陈篪的结果以及Hahn—Rosenfield的结果相似。影响K_(1c)的主要因素有:硬化率,杨氏樸量,抗拉强度,平面应变断裂真应变和一个适当的长度参数,其意义随断裂机制而异。其它冶金因素,例如晶粒度,可能通过断裂真应变影响K_(1c)。     

轴承钢GCr15断裂韧性K_(ⅡC)的试验研究

采用四点弯曲试样(FPB),对轴承钢GCr15在不同热处理制度下的滑移型(Ⅱ型)断裂韧性(K_(Ⅱc))进行了测定。试验结果表明,Ⅱ型断裂参数在如下范围内变化:K_(Ⅲc)=17～35MPa2~(1/m),裂纹扩展开裂角θ_o=55°～62°,K_(Ⅱc)/K_(Ⅰc)=1.1～1.6;下贝氏体(B下)含量在31％时的下贝氏体和马氏体(M)的复合显微组织(B下/M)有最佳的强韧性匹配,较高的断裂韧性值。在此基础上,对Ⅱ型断裂特征、不同热处理条件下材料强韧化机制和Ⅱ型断裂韧性试验方法进行了分析讨论。试验结果与线弹性复合型断裂理论的预测值进行了比较,对其差异和矛盾进行了分析讨论。     

GCr15钢的疲劳和断裂

本文研究了热处理对GCr15轴承钢断裂韧性K_(Ic)和疲劳裂纹扩展速率da/dN的影响。试验结果表明:基体成分及组织是影响K_(Ic)和da/dN的主要因素;淬火加热温度升高,K_(Ic)降低,da/dN增快;提高回火温度,K_(Ic)增加,da/dN减慢,但在230℃回火时,因处于回火马氏体脆性区,K_(Ic)急烈下降,da/dN增加;在低温回火范围内,淬火加热温度对K_(Ic)和da/dN的影响远比回火温度对这两种力学性能指标的影响强烈。对GCr15钢疲劳断口和疲劳裂纹扩展过程观察后认为:在门槛区附近,疲劳裂纹的扩展以沿晶为主;中速区则以断续的再生核机制进行扩展;快速区至最后断裂阶段表现为准解理和沿晶断。     

缺口断裂实验研究和断裂判据

本文在考察影响冷轧辊破损的力学因素中选用了缺口和裂纹两种试样进行断裂韧性测试。结果发现对于冷轧辊材料(高硬度,ε_F≈0)其K_(1c)≤(2/3)K_(ρc)(ρ=0.06毫米),即K_(1c)和K_(ρc)值差别较大。故本文认为有的文献提出对于低韧性材料(ε_F≈0)可用细切口试样代替裂纹态试样测定K_(1c)值不是普遍可行的。这一事实在工程实际中是重要的。在实验分析中,本文主要参考了Tetel man.A.S和Yokobori.T的分析工作,采用了弹塑性宏观力学的方法,近似分析缺口试样弹塑性应力场,建立有关断裂判据,所得结果较好解释实验现象,并可作为K_(ρc)计算的估值公式,亦可供分析缺口断裂问题参考。     

用园环裂纹拉伸试样测定钢在低温下的断裂韧性

为了用线弹性断裂力学观点研究钢的低温断裂行为,我们探索了用园环裂纹拉伸试样测断裂韧性K_(1c)的较为简便的试验方法.本文在论证该方法的同时,给出了用该方法测得的几种常用结构钢从室温至—196℃的一系列K_(1c)值. 为了说明试验结果的有效性,文中对实验精度进行了分析,并从线弹性断裂力学的基本要求出发,导出了试样的尺寸条件:D≥1.6(K_(1c)/σ_s)~2.最后,通过和标准的三点弯曲试验结果进行对照,二者符合较好。     

60Si_2Mn钢变幅疲劳的扫描电镜直接观察

应用自制的扫描电镜疲劳加载台,对60Si2Mn 弹簧铜过载或欠载时疲劳裂纹扩展的延迟与加速效应进行了扫描电镜的直接观察.结果表明,尖峰载荷会使闭合力K_(c1) 发生明显变化.欠载会使 K_(c1) 下降,其与裂纹顶端的反转压缩塑性区有关.     

断裂韧性K_(1c)对WC-钢复合材料剥层磨损的影响

本文初步研究了WC-钢复合材料的断裂韧性K_(1C)对剥层磨损的影响。试验材料是GJW-50合金(WC50％,基体成份为50GrMo钢)。 实验结果表明:在高应力、滑动及润滑条件下WC-钢复合材料的磨损是裂纹扩展速率控制的剥层磨损。K_(1C)是影响磨损体积和磨损速率的重要力学性能因素。最后,根据实验结果,提出了一个依赖于材料表面硬度和断裂韧性的磨损公式。     

三点弯曲加载下YBCO电阻及K_(1c)特征研究

在300K和77K下,用三点弯曲方法测定了零电阻温度为79～85K的YBCO长条状超导试样的电阻压头位移曲线和平面应变断裂韧性K_(1c)。结果表明,77K下零电阻特性可以保持到完全断裂前瞬间,由K_(1c)得到的表面能比300K的高,高出的部分可被认为是应力诱导下的少量超导相变所附加的能量。     

裂纹顶端锐度与石墨形态对球铁K_(1c)的影响

§1 引言在球铁断裂韧性研究中,有二方面问题特别引起人们的注意。一是测量方法的问题;另一是球化状态对断裂的影响,或者说石墨在断裂过程作用的问题。国内现在对球铁断裂韧性测量普遍采用ASTM E399-72(或74)标准中三点弯曲试样。北京钢研院在他们与北京第一机床厂等单位合作测球铁断裂韧性时,认为用疲劳裂纹与用顶端宽度小于0.15mm的线切割的裂纹,所得K_(lc)值是一样的。在后来工作中进一步从理论上得G_c(ρ_0)=G_0 π/4ρ_0σ_Fε_F的公式。这里ρ_0为裂纹顶端曲率半径,Gc为临界裂纹扩展力,G_0为常数,σ_F为材料断裂真应力(经缩颈修正),ε_F为断裂的真应变。因此认为对脆性材料G_c(ρ_0)基本上为一与ρ_0无关的常数。因此,他们认为测球铁K_(lc)不必开疲劳裂纹。但国内其它单位在测球铁K_(lc)时还是普遍地开疲劳裂纹。测量方法的另一问题是负荷—位移(P—V)曲线中P_(max)/P_σ往往大于1.1。按E399—72,这样的结果无效,必须用更大尺寸试样重新测量。但是多数单位现在仍把它看成有     

木材断裂韧性KIC测定方法的研究

采用单边切口试件进行三点弯曲试验,以测定木材断裂韧性K_(IC)值;同时探讨了试件厚度对K_(IC)的影响。结果表明:(1)本文采用的实验方法是可行的;(2)试件厚度对K_(IC)值无显著影响,但以薄试件为好。     

5CrMnMo热锻模具钢的动态断裂韧性

对860℃淬火,500℃回火处理后的5CrMnMo模具钢进行了动态断裂韧性试验.讨论了K_(1d)分散大于K_(1c)的原因.     

低碳马氏体型超高强度钢的组织结构和疲劳断裂行为

本文在低碳马氏体型超高强度钢强韧性规律研究的基础上,系统地研究了疲劳断裂规律。试验结果表明,典型钢种25Si2Mn2CrNiMoV通过950℃加热油淬350℃回火,其疲劳强度(σ_(-1),σ_(-1N)等)和裂纹扩展抗力(dα/dN,ΔK_(th)等)可以实现最优化。通过对疲劳裂纹的原位透射电子显微分析,发现了疲劳裂纹尖端塑性区内板条马氏体晶体交界处的残余奥氏体薄膜发生应变诱发马氏体相变,观察到疲劳裂纹扩展过程中组织结构的变化情况,从而讨论了显微组织结构与疲劳断裂行为的对应关系。     

不同温度下有机玻璃厚板的平面应变断裂韧性试验

为研究有机玻璃平面应变断裂韧性(KIC)与温度的关系,设计了母材和带拼接缝试件,在-40~40℃范围内进行三点弯试验.采用疲劳试验机预制疲劳裂纹,利用酒精和液氮对试件降温,用纯水进行升温,观察试件宏观断口形貌,结合有限元和断裂力学进行算例分析.结果表明:在低温下,试件达到极限荷载后迅速断裂,失稳扩展的裂纹临界长度较小,裂纹扩展速率快;高温下,临界长度较大,裂纹扩展速率慢.母材试件在20℃时KIC最小,-20℃时最大,而带拼接缝试件在40℃时KIC最小,-40℃时最大.断面上沿裂纹扩展方向的弧状条纹数增多会导致KIC降低,当出现垂直于疲劳裂纹边缘线的放射状条纹时,KIC进一步降低.对于所提算例,裂纹尖端各点的应力强度因子随裂纹深度的增加而增加.     

平面复合型疲劳裂纹扩展问题

本文要解决的是平面复合型疲劳裂纹扩展方向以及疲劳寿命的预测问题。主要内容如下: 1.提出“等双剪应力线上δθmax平面复合型裂纹开裂判据”。与其它判据相比较;本判据所预测的裂纹开裂方向更接近于疲劳裂纹扩展试验的结果。2.文中指出:是Z形裂纹的分支方向,而不是其主裂纹方向,在Z形裂纹的KⅠ,KⅡ值中起着支配性的作用。接着提出二个计算Z形裂纹应力强度因子的近似方法。3.为预测复合型疲劳裂纹扩展的寿命,文中提出了一个新的裂纹扩展速率表达式,即折合张应力强度因子指数公式。此式所预测的寿命较接近于实验值。最后,还讨论了应用主应力强度因子K*,应变能释放率G,应变能密度因子S,预测复合型疲劳裂纹扩展的寿命问题。     

连续冷却淬火贝氏体球墨铸铁的断裂韧性

对抗磨贝氏体球墨铸铁的断裂韧性进行了较为深入的研究。通过两种不同尺寸试样的断裂韧性测定,研究试样尺寸因素对球墨铸铁断裂韧性的影响;通过开疲劳裂纹和线切割裂纹的对比试验,研究裂纹尖端的尖锐程度对球墨铸铁断裂韧性的影响;研究石墨球化质量对球墨铸铁断裂韧性的影响。研究结果表明,试样尺寸大小和开疲劳裂纹与否对球墨铸铁断裂韧性的影响不大,而球化质量则对球墨铸铁的断裂韧性有较大的影响,球化质量好的试样,其断裂韧性值高。     

中、低碳合金结构钢的断裂韧性与电子断口特征的关系

我们对40CrNiMo、20SiMn2MoV等几种中、低碳合金结构钢的不同热处理状态的断裂韧性K_(IC)及其与其它基本机械性能的关系进行了研究,得出:对于中碳合金结构钢40CrNiMo,随着强度的提高, 断裂韧性是降低的,符合一般的认为断裂韧性与强度是相互矛盾的看法;但对低碳合金结构钢20SiMn2MoV等,在低、中温回火范围内,K_(IC)值却是随强度的增加而增加,这类钢既具有较高的强度又具有较高的断裂韧性。我们对上述几种钢的断裂韧性试样断口进行了电子显微镜观察,研究了断裂韧性与电子断口特征的关系,对低碳合金结构钢具有高断裂韧性的原因,从电子断口特征方面进行了初步的分析与解释。研究表明:断裂韧性试样预制疲劳裂纹带之后有一个较平坦的延伸带,延伸带后紧接着是有一定宽度的韧窝带。它们的出现与否及宽窄,与材料的K_(IC)值有密切关系。延伸带W_s愈宽,材料K_(IC)值愈高。W_s与表明材料微区塑性的裂纹尖端曲率半径ρ或裂纹尖端张开量2V_c成正比,而K_(IC)~2≈4Eσ_s∈Eρ(=4Eσ_sV_C)。高强度低碳马氏体合金结构钢既具有高的σ_S,又有宽的延伸带W_s(即大的ρ和V_c),因而这种材料在具有高强度的同时,又具有高的断裂韧性。韧窝带W_D的宽度与计算的塑性区尺寸Y_P有相同的数量级,可以从W_D的大小来比较K_(IC)的高低。文中还描述了塑性稳定扩展和脆性失稳扩展的断口特征,并做了一些解释和说明。     

低合金结构钢疲劳断裂机制图的研讨

本文在中低碳合金结构钢,室温大气条件下取得的疲劳裂纹扩展宏观特性和微观断裂机制观测的有限数据基础上,对疲劳断裂机制图的制作和意义作了初步的探讨。机制图I以σ_s/K_(IC)和K_(max),机制图Ⅱ以K_(max)/K_(IC)和γ_B~C/d(即ΔK~2/12πσ_8~2d)分别为双对数直角座标轴。在这两种平面空间里,通过对实验数据的归纳,绘出了若干个不同断裂机制的区域及da/dN的数值范围。对应于一种材料状态,疲劳裂纹扩展过程在机制图中表现为穿过特定若干区域的一直线。疲劳断裂机制图对抗疲劳材料的选择、研制和改善及失效分析,将有一定的指导意义。     

裂纹法测试陶瓷材料K_(IC)的研究

通过利用TZP陶瓷材料制备裂纹体陶瓷试样,探讨裂纹法测试K_(1c)及其影响因素,提出了较好控制裂纹扩展的方法,并就加载速度、相变增韧及残余应力等因素对裂纹体试样的K_(1c)影响进行了分析讨论,以完善该方法,使其具备工程实用价值.