ZG20SiMn铸钢的疲劳行为研究

【摘要】铸造低合金钢由于其优良的性能，在许多领域已经逐渐取代了铸造碳钢。随着铸造低合金钢应用范围的越来越广泛，对其力学性能的要求也越来越高。迄今为止，已开发出多种商业化的铸造低合金钢系列，其中ZG20SiMn铸钢因强度高、塑性与韧性好，被广泛用于水压机立柱、横梁、工作缸以及水轮机转轮等构件。疲劳破坏是各种工程构件服役期间的主要失效形式之一，对于铸钢结构件亦不例外。因此，研究ZG20SiMn铸钢的疲劳行为不仅具有实用价值，而且也可以为ZG20SiMn铸钢结构件的抗疲劳设计和安全使用提供可靠的理论依据。本文以用于制作水压机横梁的ZG20SiMn铸钢件为研究材料，针对由实际铸件上切取的疲劳试样在室温下分别进行了应变控制的低周疲劳实验和应力控制的高周疲劳实验，并利用SEM和TEM对疲劳断口形貌和疲劳变形后的微观结构进行了观察与分析，探讨了ZG20SiMn铸钢在室温低周疲劳和高周疲劳加载条件下的变形与断裂机制。室温低周疲劳实验结果表明，ZG20SiMn铸钢在应变控制的疲劳变形期间可以表现为循环硬化和循环稳定，主要取决于外加总应变幅的高低，其中当外加总应变幅为0.25~0.45%时，ZG20SiMn铸钢在疲劳变形前期呈现循环稳定，在疲劳变形的后期则表现为循环应变硬化，直至最终断裂或由于疲劳裂纹出现而导致应力快速下降；当外加应变幅为0.6%时，ZG20SiMn铸钢在整个疲劳变形过程中表现为稳定的循环应力响应行为；当外加应变幅为0.8%时，ZG20SiMn铸钢在整个疲劳变形过程中呈现为循环应变硬化。对于ZG20SiMn铸钢而言，其弹性应变幅、塑性应变幅与疲劳断裂时的载荷反向周次之间均表现为单斜率线性行为，并且分别服从Coffin-Manson和Basquin公式。此外，采用拉伸滞后能作为疲劳损伤参数可以较为准确地预测ZG20SiMn铸钢的低周疲劳寿命。室温高周疲劳实验结果表明，在应力控制的疲劳加载条件下，ZG20SiMn铸钢在0.5的高应力比下的疲劳强度明显高于其在0.1的低应力比下的疲劳强度；在相同的外加应力幅下，ZG20SiMn铸钢在应力比为0.1时的疲劳寿命明显高于其在应力比为0.5时的疲劳寿命，而在相同的最大循环应力下，ZG20SiMn铸钢在应力比为0.5时的疲劳寿命明显高于其在应力比为0.1时的疲劳寿命；在ZG20SiMn铸钢组织中的鱼骨状硫化物以及含锰和钼的夹杂物将使其高周疲劳寿命大大缩短。疲劳断口形貌的扫描电子显微分析结果表明，对于ZG20SiMn铸钢而言，无论是应变控制的低周疲劳加载条件下，还是应力控制的高周疲劳加载条件下，疲劳裂纹均是以穿晶方式萌生于疲劳试样表面，并以穿晶方式扩展，而且在疲劳裂纹扩展区可观察到明显的疲劳条带及疲劳台阶等形貌特征。ZG20SiMn铸钢疲劳变形后微观结构的透射电子显微分析结果表明，低周和高周疲劳变形期间，钢中存在的大量50~80nm的颗粒状碳化物可以对位错产生钉扎作用，阻碍位错滑移，引起强化。ZG20SiMn铸钢低周疲劳变形期间，大量运动位错受到晶界的强烈阻碍，在晶界附近随机分布着位错线、位错缠结及位错带，同时也可形成胞状亚结构。ZG20SiMn铸钢在高周疲劳变形后，部分珠光体在发生变形并开裂，这些开裂的珠光体在后续循环应力作用下发生球化现象，即逐渐转变成短棒状或椭球状，当位错运动至这些珠光体周围时，有弯曲、缠结等现象发生。此外，高周疲劳变形后，ZG20SiMn铸钢中的部分晶界出现了明显的扭折，且在晶界处有大量的位错塞积。
【作者】李媛媛；
【导师】陈立佳；李锋；
【作者基本信息】沈阳工业大学，材料加工工程，2014，博士
【关键词】ZG20SiMn铸钢；低周疲劳；高周疲劳；

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