500MPa级针状铁素体钢的低周疲劳行为.pdf

５００ＭＰａ级针状铁素体钢的低周疲劳行为８３５００ＭＰａ级针状铁素体钢的低周疲劳行为ＬｏｗＣｙｃｌｅＦａｔｉｇｕｅＢｅｈａｖｉｏｒｏｆ５００ＭＰａＧｒａｄｅＡｃｉｃｕｌａｒＦｅｒｒｉｔｅＳｔｅｅ１郑宏伟，唐荻，武会宾，杨柳，刘丽华（１北京科技大学冶金工程研究院，北京１０００８３；２南京钢铁股份有限公司研发中心，南京２１００３５）———ＺＨＥＮＧＨｏｎｇｗｅｉ，ＴＡＮＧｉ，ＷＵＨｕｉｂｉｎ，ＹＡＮＧＬｉｕ，ＬＩＵＬｉｈｕａ（１ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ；２ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＣｅｎｔｅｒｏｆＮａｎｊｉｎｇＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａｎｉｉｎｇ２１００３５，Ｃｈｉｎａ）摘要：采用光滑圆柱疲劳试样，通过对５００ＭＰａ级针状铁素体钢进行轴向总应变控制模式的室温低周疲劳实验，研究了△实验钢的循环应力一应变行为、应变一寿命特性及循环应力响应。结果表明：当总应变幅为临界应变幅时（ｅ／Ｚ一≤△０．３５），循环一开始就进入饱和状态，应力幅值保持不变；当总应变幅低于临界应变幅时（０．２ｅ／２＜Ｏ．３５％），实△≤验钢表现出循环软化特性；当总应变幅高于临界应变幅时（Ｏ．３５＜￡／２０．６），实验钢先表现出循环硬化，达到循环饱和后又表现出循环软化特性。疲劳断口的ＳＥＭ分析表明，疲劳裂纹通常萌生于试样一侧的表面，具有多源性，且裂纹的扩展符合Ｌａｉｒｄ的塑性钝化机制。关键词：针状铁素体；低周疲劳；循环应力一应变；应变一寿命；循环应力响应中图分类号：ＴＧ１４２．１文献标识码：Ａ——文章编号：１００１４３８１（２０１２）１２－００８３０６Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｏｗｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｓｆｏｒ５００ＭＰａｇｒａｄｅａｃｉｃｕｌａｒｆｅｒｒｉｔｅｓｔｅｅｌｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｗｉｔｈｓｍｏｏｔｈ——ｒｏｔｕｎｄｉｔｙｓｅｃｔｉｏｎｓｐｅｃｉｍｅｎｓｕｎｄｅｒｆｕｌｌｙｒｅｖｅｒｓｅｄｔｏｔａｌｓｔｒａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｃｙｃｌｉｎｇａｔｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｃｙ——ｃｌｉｃｓｔｒｅｓｓｓｔｒａｉｎｂｅｈａｖｉｏｒ，ｓｔｒａｉｎｌｉｆｅｆｅａｔｕｒｅａｎｄｃｙｃｌｉｃｓｔｒｅｓｓｒｅｓｐｏｎｓｅｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅ△—ｔｅｓｔｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｈｅｎｅ／２ｅｑｕａｌｓｔｏ０．３５，ｔｈｅｔｅｓｔｅｄｓｔｅｅｌｑｕｉｃｋｌｙａｃｈｉｅｖｅｓｃｙｃｌｉｃｓａｔ△—ｕｒａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｍｐｌｉｔｕｄｅｓｒｅｍａｉｎｓａｌｍｏｓｔｃｏｎｓｔａｎｔ．Ｗｈｅｎ￡ｔ／２ｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ０．３５，ｔｈｅｔｅｓｔ△ｅｄｓｔｅｅｌｓｈｏｗｓｃｙｃｌｉｃｓｏｆｔｅｎｉｎｇｕｎｔｉｌｆａｉｌｕｒｅ．Ｗｈｅｎｅ，／２ｉｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎ０．３５％，ｔｈｅｔｅｓｔｅｄｓｔｅｅｌｓｈｏｗｓｃｙｃｌｉｃｈａｒｄｅｎｉｎｇｗｈｉｃｈｉｓｆｏｌｌｏｗｅｄｂｙｃｙｃｌｉｃｓｏｆｔｅｎｉｎｇｕｎｔｉｌｆａｉｌｕｒｅ．Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｏｆｆｒａｃｔｕｒｅｓｕｒｆａｃｅ—ｓｈｏｗｔｈａｔｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｓｉｎｉｔｉａｔｅｗｉｔｈｍｕｌｔｉｉｎｉｔｉａｔｉｏｎｓｉｔｅｓｆｒｏｍｏｎｅｓｉｄｅｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓｕｒｆａｃｅ，ａｎｄ—ｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｉｓｍａｉｎｌｙｉｎｔｈｅｓｈａｒｐｅｎｉｎｇｂｌｕｎｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＬａｉｒｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｃｉｃｕｌａｒｆｅｒｒｉｔｅ；ｌｏｗｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅ；ｃｙｃｌｉｃｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎｂｅｈａｖｉｏｒ；ｓｔｒａｉｎ－ｌｉｆｅｆｅａｔｕｒｅ；ｃｙｃｌｉｃｓｔｒｅｓｓｒｅｓｐｏｎｓｅ随着国内桥梁建设技术和高层建筑技术的迅猛发展，对桥梁用钢和建筑用钢的要求也越来越高，不仅要求具有较高的强度和韧性，还要求具有优良的焊接性能、耐蚀性能和抗疲劳性能Ｌ】］。极低碳针状铁素体钢，不仅具有良好的力学性能，还具有良好的焊接和耐蚀性能］，在管线钢、船板、桥梁用钢及耐火高建用钢的开发中得到了应用ｌ＿６］。目前，应用在南京大胜关长江大桥上的由武汉钢铁集团生产的ｗＮＱ５７ｏ桥梁用钢（相当于Ｑ４２０ｑＥ强度级别），是国内桥梁中应用的强度级别最高的桥梁用钢，而在鸟巢体育场应用的Ｑ４６ＯＧＪ是国内应用强度级别最高的高建用钢，因此，５００ＭＰａ级针状铁素体钢能够满足未来桥梁和高建应用的需求。近年来，地震和台风等恶劣的自然灾害频发，很多结构的失效都是由于重要结构件的疲劳破坏所导致。在设计和建造桥梁和高层建筑时，材料必须要具备抵御恶劣环境的能力，因此，要求桥梁和建筑用钢必须具备良好的抗低周疲劳性能。。。目前，很多学者研究了针状铁素体钢的形成机理、力学性能、强韧性行为、焊接工艺性能和耐蚀性能等＿ｌ卜¨］，为针状铁素体钢的应用提供了大量的理论依８８材料工程／２０１２年１２期失稳断裂区，可以看到典型的韧窝特征，这是金属材料延性断裂的主要微观特征。实验钢在微观区域内塑性变形产生空洞核，并长大和相互连接，最终形成试样断裂后的痕迹。３结论（１）５００ＭＰａ级针状铁素体钢的循环应力一应变曲—线方程和应变一寿命曲线方程分别为／２１０６２．６８×△（ｅ。／２）。・¨△—，￡／２０．００３４１３×（２Ｎｆ）。・ｏ５％＋６．１４８９×（２Ｎ），实验钢的疲劳过渡寿命２Ｎ为１７７８周。（２）５００ＭＰａ级针状铁素体钢在低周疲劳加载条件下表现出的循环软硬化特性受到外加应变幅的影响，存在临界应变幅０．３５９／６。当应变幅小于０．３５９／６时，实验钢表现出循环软化特性；当应变幅大于０．３５时，实验钢先表现出循环硬化，然后逐渐趋于循环饱和，最后表现出循环软化特性，直至试样断裂失效；当应变幅为临界应变幅０．３５时，实验钢从一开始就进入循环饱和，直至试样断裂失效。（３）５００ＭＰａ级针状铁素体钢的低周疲劳裂纹通常萌生于试样的某一侧的表面，有多源性，然后逐渐扩展至另一侧，并发生断裂失效。裂纹的扩展符合Ｌａｉｒｄ的塑性钝化机制。参考文献［２］［３］郭爱民，邹德辉．全国轧钢生产技术会议文集［ｃ］．北京：中国金属—学会，２００８．４０４６．杨忠民．建筑用钢品种开发和技术发展的趋势［Ｊ］．钢铁，２００９，４４—（１１）：１６．—ＨＹ０ＫＳ，ＳＡＮＧＹＳ，ＷＯＯＹＥＯＬＣ，ｅｔａ１．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆａｃｉｃｕｌａｒｆｅｒｒｉｔｅｏｎｃｈａｒｐｙｉｍｐａｃｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｉｎｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅｓｏｆｏｘｉｄｅ－—ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇＡＰＩＸ８０ｌｉｎｅｐｉｐｅｓｔｅｅｌｓ［Ｊ＇］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉ—ｎｅｅｒｉｎｇ：Ａ，２０１１，５２８（９）：３３５０３３５７．［４］赵明纯，单以银，曲锦波，等．显微组织对管线钢硫化物应力腐蚀—开裂的影响［Ｊ］．金属学报，２００１，３７（２）：１０８７１０９２．［５］赵明纯，单以银，杨柯．时效处理对针状铁素体管线钢力学性能和—抗硫化氢行为的影响［Ｊ］．金属学报，２００４，４０（９）：９４８９５４．［６］龙明建，于浩，尹雨群，等．Ｘ７０针状铁索体管线钢包辛格效应研—究［Ｊ］．材料工程，２００７，（１０）：３１３４．［７］郭振，温永红，胡水平，等．Ｆ４０高强船板钢组织中针状铁素体形—成及细化机制研究［Ｊ］．材料热处理技术，２００８，３７（２）：３８４１．［８］郭爱民，邹德辉，易伦雄，等．时效处理对极低碳针状铁素体钢组—织和力学性能的影响［Ｊ］．金属学报，２００９，４５（４）：３９０３９５．［９］罗云蓉，王清远．建筑用抗震钢高应变低周及超低周疲劳性能研究进展［Ｊ］．四川建筑科学研究，２０１１，３７（３）：１３９１４５．［１０］ＳＡＫＡＮＯＭ，ＷＡＨＡＢＭＡ．Ｅｘｔｒｅｍｅｌｙｌｏｗｃｙｃｌｅ（ＥＬＣ）ｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｉｎｇｂｅｈａｖｉｏｒｉｎｓｔｅｅｌｂｒｉｄｇｅｒｉｇｉｄｆｒａｍｅｐｉｅｒｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ——ＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００１，１１８（１３）：３６３９．Ｅｌ１］ＬＥＥｃＨ，ＢＨＡＤＥＳＨＩＡＨＫＤＨ，ＬＥＥＨＣ．ＥｆｆｅｃｔｓｏｆｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆａｃｉｃｕｌａｒｆｅｒｒｉｔｅｒＪ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ——ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：Ａ，２００３，３６０（１２）：２４９２５７．［１２］尚成嘉，胡良均，杨善武，等．低碳微合金钢中针状铁素体的形成—与控制［Ｊ］．金属学报，２００５，４１（５）：４７１４７６．［１３］胡水平，郭振．ＴＭＣＰ工艺下针状铁素体钢板的强韧性行为［Ｊ］．—塑性工程学报，２０１０，１７（６）：９３９６．［１４］舒玮，王学敏，李书瑞，等．焊接热影响区针状铁索体的形核长大及其对组织的细化作用口］．金属学报，２０１１，４７（４）：４３５～４４１．［１５］黄志伟，袁福河，王中光，等．铸造镍基高温合金Ｍ９６３的高温低—周疲劳行为［Ｊ］．金属学报，２００７，４３（７）：６７８６８２．［１６］ＳＵＲＥＳＨＳ．材料的疲劳［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９９９．基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）资助项目（２０１２ＡＡ０３Ａ５０８）———收稿日期：２０１２０２１６；修订日期：２０１２－０６０６作者简介：郑宏伟（１９８２一），男，博士研究生，主要从事微合金高强钢的开发，联系地址：北京市海淀区学院路３０号北京科技大学８６３信箱（１０００８３），Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｏｎｇｗｅｉ．ｚｈ８２＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｒｎ通讯作者：武会宾（１９７７一），男，副教授，主要从事高强超低碳贝氏体钢研究，联系地址：北京市海淀区学院路３Ｏ号北京科技大学冶金工程研究院７０３室（１０００８３），Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕｉｂｉｎｗｕ＠１６３．ｃｏｍ米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米（上接第８２页）［１Ｏ］ＧＯＮＧＪＭ，ＴＵＳＴ，ＬＩＮＧＸ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｗｅｌｄｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｎ—ｃｒｅｅｐｄａｍａｇｅｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｕｒｎａｃｅｔｕｂｅｓ［Ｊ］．ＫｅｙＥｎｇｉ——ｎｅｅｒｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０００，１７１１７４：１８９１９６．［１１］ＺＨＯＵＣＹ，ＴｕＳＴ．Ａｓｔｏｃｈａｓｔｉｃｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｆｏｒｔｈｅ—ｃｒｅｅｐｄａｍａｇｅｏｆｆｕｒｎａｃｅｔｕｂｅ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａ１ｏｆＰｒｅｓ—ｓｕｒｅＶｅｓｓｅｌａｎｄＰｉｐｉｎｇ，２００１，７８（９）：６１７６２５．Ｌ１２］ＬＥＣＫＩＥＦＡ，ＨＡＹＨＵＲＳＴＤＲ．Ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｅｑｕａｔｉｏｎｓｆｏｒ—ｃｒｅｅｐｒｕｐｔｕｒｅ［Ｊ］．ＡｃｔａＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｅａ，１９７７，２５（９）：１０５９１０７０．［１３］ＨＡＹＨＵＲＳＴＤＲ，ＰＥＲＲＩＮＩＪ．ＣＤＭａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｒｅｅｐｒｕｐｔｕｒｅｉｎｗｅｌｄｍｅｎｔｓＥＡ］．ＡＳＣＥＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ１０ｔｈＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎ—ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃｓ［Ｃ］．Ｂｏｕｌｄｅｒ：ＡＳＣＥ，１９９５．３９３３９６．基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３）项目资助（２００７ＡＡ０４Ｚ４０７）；国家自然科学基金项目资助（５０７７５１０７）；南京工业大学博士论文创新基金资助项目（ＢＳＣＸ２００８１６）————收稿日期：２０１２０４１７；修订日期：２０１２０７０５作者简介：沈利民（１９８４一），男，博士生，主要从事过程设备先进制造和计算机辅助工程等研究。通讯作者：巩建鸣，男，教授，博士生导师，从事专业：过程设备寿命评价与再制造技术，高温强度和结构完整性技术和先进连接技术研究，联系地址：江苏省南京市浦珠南路３０号南京工业大学江浦校区机电学科—楼Ｅ栋５０９室（２１１８１６），Ｅｍａｉｌ：ｇｏｎｇｊｍ＠ｎｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ