贝/马复相高强钢超高周疲劳行为及非夹杂起裂机理的研究

In recent years, the very high cycle fatigue (VHCF) properties of many metallic materials, especially high strength steels, have been studied extensively driven by the requirement of both high strength (>1200MPa) and excellent fatigue properties to endure 10E8 cycles or even longer life when exposed to cyclic stress. The VHCF behaviors of carbide free bainite/martensite (CFB/M) dual phase high-strength low alloy steels would be investigated using ultrasonic fatigue technology. Base on the previous works, the alloying and heat treatment process would be designed through using of Thermo-Calc software. Various CFB/M microstructures with different microstructure type, homogeneity and refinement degree would be obtained. The influence of those microstructural factors, especially retained austenite, on the VHCF behaviors would be investigated to study the microstructural factors controlling VHCF behaviors. The prediction model between the microstructural factors and VHCF cycles or limit strength would be developed. Base on the observation the Optical Dark Area (ODA) in non-inclusion induced crack initiation, the relationship between ODA and VHCF cycles would be studied. The microstructure surrounding the ODA would be observed to study the influence of microstructural factors on the formation of ODA in non-inclusion induced crack initiation. Base on the studies, the mechanism of the non-inclusion induced crack initiation in VHCF would be discussed.

超高周疲劳行为相对于传统疲劳具有不同的特征，为了提高高强钢的使用寿命，有必要对超高周疲劳行为进行系统研究。本课题计划以Mn-Si-Cr系CFB/M复相组织为基础，研究不同组织因素对超高周疲劳性能的影响，深入分析超高周疲劳中的非夹杂物起裂机理。根据前期的工作基础，利用Thermo-Calc及实验完成合金成分和工艺设计，获得不同组织特点的CFB/M复相组织。研究组织类型、细化程度、均匀性等对超高周疲劳性能的影响，特别是残余奥氏体在超高周疲劳中的作用，以掌握CFB/M复相高强钢超高周疲劳性能的组织控制因素，建立组织参数对超高周疲劳性能影响的预测模型。通过对超高周疲劳中非夹杂物起裂的ODA区的观察，掌握非夹杂物起裂ODA区与超高周疲劳寿命之间的联系。通过对ODA区进行多方位精细组织观察，研究CFB/M的不同组织因素对非夹杂起裂ODA区形成的影响，掌握超高周疲劳中非夹杂物起裂的机理。

随着我国轨道交通的迅速发展，一些钢铁构件所要求设计的疲劳寿命往往超过10E8周次，有的甚至到10E11次，该阶段的疲劳被称为超高周疲劳，超高周疲劳行为相对于传统疲劳具有显著不同的特征，为了提高高强钢的使用寿命，有必要对超高周疲劳行为进行系统研究。Mn-Si-Cr系贝/马复相高强钢相对于回火马氏体钢具有较低的夹杂物敏感性，“非夹杂起裂”是其重要的内部裂纹萌生方式，而“非夹杂起裂”的机理目前还不太清楚。本项目系统研究了Mn-Si-Cr系贝氏体/马氏体复相高强钢的超高周疲劳行为，并初步分析了非夹杂起裂的机理。重点开展了贝/马复相高强钢成分设计、Nb微合金化、关键相变点测试、热处理工艺优化、性能测试、组织表征、超高周疲劳性能测试、疲劳断口观察和裂纹萌生机理分析等研究。掌握了不同显微组织，包括贝氏体组织类型、细化程度、残余奥氏体等，对贝/马复相高强钢超高周疲劳性能及其裂纹萌生方式的影响规律。通过对疲劳断口特征区的观察，建立了“GBF区尺寸-疲劳寿命-疲劳强度”三者之间的联系。通过对GBF区及其附近组织的精细观察，揭示了非夹杂起裂的机理及其组织影响因素，建立了贝氏体板条宽度与疲劳强度之间的预测模型，证实了夹杂物和显微组织对夹杂物起裂和非夹杂起裂的内部裂纹萌生的“竞争控制”机制。并提出物理冶金与化学冶金配合获得最优超高周疲劳性能的理念，这对于提升钢铁材料生产过程中的经济性具有重要的意义。在此基础上获得了抗拉强度为1500-2000 MPa，超高周疲劳强度（循环周次为10E9，σw9）为750-1000MPa，疲强比大于0.5的优异性能，最高可达到0.55，远超过传统回火马氏体高强钢（疲强比一般在0.3-0.4），达到国际领先水平。在此基础上，开发了低成本长寿命贝/马复相高强钢，并初步用于重载铁路的曲线轨、道岔等领域。