[發明專利]一種估算高強鋼疲勞失效臨界夾雜物尺寸的方法

有效

• 申請號: 202011236998.7
• 申請日: 2020-11-09
• 公開（公告）號: CN112485118B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 張鵬;王鵬;王斌;龐建超;張哲峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: G01N3/10
• 分類號: G01N3/10;G01B21/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 于曉波

本發明公開了一種估算高強鋼疲勞失效臨界夾雜物尺寸的方法，屬于高強鋼疲勞斷裂失效判據技術領域。該方法基于斷裂力學原理，從能量的角度給出由夾雜物誘導高強鋼疲勞斷裂的機制，通過使用不同熱處理制度獲得具有不同強韌性匹配的高強鋼進行拉伸、斷裂韌性、彈性性能試驗，用能量準則來估算高強鋼疲勞失效臨界夾雜物尺寸，隨后進行超高周疲勞試驗驗證了本發明方法的有效性。本發明提出的估算方法可通過靜態力學性能測試來預測高強鋼疲勞斷裂失效的臨界夾雜物尺寸，為提高工程材料服役壽命選材、設計以及為冶金學經濟而又合理地控制夾雜物尺寸提供相應的實驗證據與理論依據。

技術領域

本發明涉及屬于高強鋼疲勞斷裂失效判據技術領域，具體涉及一種估算高強鋼疲勞失效臨界夾雜物尺寸的方法。

背景技術

高強鋼在現代工業中使用量大、應用范圍廣，因其具有高強度和提高能效等優良的綜合性能廣泛應用于航空航天、導彈、潛水艇等國防尖端科學技術領域以及渦輪發動機、車輪輪軸、渦輪葉片、軸承等民用經濟領域，已經成為工程零部件中應用十分廣泛的重要結構材料。據統計，各種運動構件的破壞有50-90％是由疲勞失效引起而導致斷裂的，而高強鋼在服役過程的疲勞失效主要起源于內部最大尺寸的非金屬夾雜物，且強度水平愈高，高強鋼疲勞性能對夾雜物愈敏感。即存在一個臨界夾雜物尺寸，當高強鋼中夾雜物尺寸小于這個值時，在服役過程中就不會從夾雜物處導致疲勞斷裂。目前的冶金技術已經有可能提高鋼的純凈度進而控制和改善鋼中夾雜物的數量、尺寸、分布，可以將氧等有害元素含量控制在10ppm以下進而大大減小鋼中夾雜物尺寸，不僅顯著降低了由夾雜物導致疲勞失效的頻率，減小了疲勞源的夾雜物尺寸，延長高強鋼的疲勞壽命，而且還可以提高其疲勞極限。但是，若將氧等有害元素降低到如此低的程度，必將大大提高工業生產的成本而降低經濟效益。因此，如何合理控制夾雜物尺寸在臨界夾雜物尺寸以下，使其在服役周期內不從夾雜物開裂或延緩在夾雜物處疲勞裂紋萌生及擴展的速率，制備出具有零夾雜物或小夾雜物尺寸的高潔凈度鋼鐵材料，并逐步發展由夾雜物導致疲勞失效的機理成為發展高疲勞強度鋼的重要手段。然而，目前還沒有一種簡單、有效、快速的方法來評估高強鋼疲勞失效的臨界夾雜物尺寸。

因此，本發明嘗試提出一種估算高強鋼疲勞失效臨界夾雜物尺寸的方法，用以快速準確地評估高強鋼疲勞失效的臨界夾雜物尺寸。目前臨界夾雜物尺寸的預測方法主要有：基于斷口疲勞源夾雜物尺寸與距表面距離的外推法；基于Murakami投影面積模型的臨界夾雜物尺寸和表面粗糙度、硬度的經驗關系。然而，外推法需要進行大量的疲勞試驗，勞動強度大且結果具有偶然性和不確定性；正如Murakami所說的投影面積模型預測的疲勞強度過高，因此基于此模型推導得到的臨界夾雜物尺寸的準確性有待進一步驗證且相關參數物理意義不明確，是一種事后描述性公式，而不是事先的預判準則。因此開發一種簡單、有效、快速的方法來評估高強鋼疲勞失效的臨界夾雜物尺寸是本發明的核心。

發明內容

本發明的目的在于提供一種估算高強鋼疲勞失效臨界夾雜物尺寸的方法，該方法通過靜態力學性能測試，基于斷裂力學原理給出了一種高強鋼疲勞失效臨界夾雜物尺寸的估算方法，解決了高強鋼疲勞失效臨界夾雜物尺寸難以準確評估的問題，為工程選材、設計以及冶金學經濟的控制夾雜物尺寸提供相應的理論依據。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

一種估算高強鋼疲勞失效臨界夾雜物尺寸的方法，該方法包括如下步驟：

(1)通過不同熱處理制度獲得具有不同強度與韌性匹配的高強鋼；

(2)進行室溫拉伸實驗，測得高強鋼的抗拉強度σ_b；

(3)進行室溫斷裂韌性實驗，測得斷裂韌性K_IC；

(4)進行彈性性能測試，獲得彈性模量E、泊松比ν；