高强度纳米贝氏体钢的疲劳特性及失效机理的研究

High strength nanobainitic steels composed of tens nanometers thick lath-like bainitic ferrite and film-like retained austenite have mechanical properties close to the level of maraging steels. They are potentially used for the manufacture of high-performance shafts, bearings, gears, rails, crossings and armours. However, high-cycle fatigue behavior which is intimately related to the service performance, especially the effect of microstructure on high-cycle fatigue property and microstructural action mechanism of the fatigue damage have not been studied deeply. Our primary work shows that the bending fatigue limit of the high strength nanobainitic steel is not monotonically increased with the utimate tensile strength, but is related to retained austenite. This phenomenon is not consistent with the conventional metals fatigue theory. Therefore, this work is to study the microstructural evolution during the stress cycle and the crack propagation, and the crack propagation route by axial tension to tension high-cycle fatigue test, and to study the effect of microstructure on the fatigue property, in order to explore the high-cycle fatigue behavior and microstructural action mechanism of high strength nanobainitic steel, and microstructural controlling factors to enhance the fatigue property. This study will not only enrich the fatigue theory but also supply references to the application of high strength nanobainitic steels.

高强度纳米贝氏体钢具有几十纳米厚板条贝氏体铁素体和其间薄膜残余奥氏体组织，常规力学性能接近马氏体时效钢的水平，并在高性能传动轴、轴承、齿轮、铁路钢轨、辙叉及装甲钢板等重要零部件的制造有应用前景。但与使用性能密切相关的疲劳行为的研究还没有系统深入开展，特别是组织对高周疲劳性能的影响及疲劳损伤的组织作用机理还未进行研究。申请者初步研究发现，高强度纳米贝氏体钢的疲劳极限不随抗拉强度单调升高，而是与残余奥氏体有着密切的联系，这一现象与传统金属疲劳理论不一致。故本项目拟采用轴向拉-拉高周疲劳试验方法，研究高强度纳米贝氏体钢在高周循环应力作用下及疲劳裂纹扩展过程中微观组织演变规律，疲劳裂纹扩展途径，以及微观组织对疲劳性能的影响规律，从而揭示高强度纳米贝氏体钢高周疲劳行为与组织作用机理，以及提高疲劳性能的组织控制因素。这不仅可丰富钢的疲劳断裂理论，也可为高强度纳米贝氏体钢的应用提供参考。

纳米贝氏体钢具有很高的强度和较好的韧塑性，常规力学性能接近马氏体时效钢的水平。但与使用性能密切相关的疲劳行为的研究还没有系统深入开展，特别是组织对高周疲劳性能的影响及疲劳损伤的组织作用机理还未进行研究。故本项目拟采用轴向拉-拉高周疲劳试验方法，研究高强度纳米贝氏体钢在高周循环应力作用下及疲劳裂纹扩展过程中微观组织演变规律，疲劳裂纹扩展途径，以及微观组织对疲劳性能的影响规律，从而揭示高强度纳米贝氏体钢高周疲劳行为与组织作用机理，以及提高疲劳性能的组织控制因素。本项目主要研究内容可以分为以下几点：1）设计高碳含Al和含Co两种成分钢，利用软件计算等温转变动力学曲线，用膨胀仪测定相变点；2）用X射线衍射仪（XRD）、光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对新设计成分的合金钢不同工艺低温等温转变试样的相组成和组织特征进行了研究；3）对常规力学性能及疲劳性能进行表征；4）用扫描电子显微镜观察了断口形貌并分析了断裂机理。结果表明：含Al和含Co两种钢经1000 ºC奥氏体化后，在220–260 ºC等温转变4–24 h，分别得到了由25–51 nm和30–68 nm厚的板条状贝氏体铁素体和薄膜状残留奥氏体构成的纳米贝氏体组织，残留奥氏体体积分数分别为35.6–36.9 vol.%和26.6–37.3 vol.%，硬度分别为559–597 HV3和585–651 HV3，抗拉强度分别达到了1863–1982 MPa和1797–1889 MPa，延伸率分别达到了14.0–15.6%和4.0–9.3%，Charpy–U缺口试样室温冲击功分别达到了10.5–24 J和5.3–23.4 J。两种钢相比，含Al合金钢的综合力学性能更好。等温转变试样拉伸断裂机理以塑性的韧窝断裂为主，冲击断裂机理为脆性的准解理断裂和塑性韧窝断裂的混合。两种钢等温转变试样的轴向拉拉高周疲劳S-N曲线均出现了平台。疲劳极限分别达到了864–1071 MPa和824–973 MPa。疲劳裂纹扩展区有二次裂纹的产生。疲劳试样纵断面存在轴向二次裂纹，且二次裂纹附近组织发生了塑性变形。薄膜状残余奥氏体对纳米贝氏体钢的疲劳性能有益。