氮化18Ni马氏体时效钢外文翻译资料

 2022-07-28 14:10:59

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Abstract

摘要

氮化18Ni马氏体时效钢的薄片在循环张力（载荷比R = 0.1）下测试高循环疲劳（VHCF）制度。超声波疲劳试验方法，循环频率约为20 kHz这些实验已经进一步开发了。具有0.35mm厚度的片材样品为安装在载体样品上，它们被预应力并且被迫联合振动。 107和之间109个循环，仅在内部TiN夹杂物下开始疲劳裂纹。裂缝的区域评估垂直于施加的拉伸应力投射的夹杂物。（面积INC）1/2位于2.5 lm和5.3 lm之间。考虑夹杂物作为裂缝，他们应力强度范围在DKINC = 1.3 MPa m1/2和2.4 MPa m1/2之间。裂纹发生的大小夹杂物影响寿命。这在裂纹传播模型和呈现中被考虑寿命与应力幅度乘以（areaINC）1/12。平均寿命为109个周期应力幅值为拉伸强度的22％，与其他测试的高强度钢在张力下循环。

关键词：非常高的循环疲劳/18Ni马氏体时效钢/氮化/薄片/超声疲劳

1.Introduction

介绍
运输行业使用的几个部件，在发电厂或医疗器械中非常强调，服务期间负载循环次数。 发动机和动力总成车辆的组件，例如通常更多装载超过108个循环。由经济和安全的需要驱动来设计，使用非常高的循环疲劳（VHCF）性能材料，需要适当地表征。 循环力疲劳损伤的机制可能在生命周期时有所不同，从高循环疲劳（HCF）增加到VHCF体系。没有存在声音方法将HCF数据推广到VHCF系统，这使得实验研究成为必要。

对材料VHCF感兴趣的巨大冲动，在高强度钢上显示出失效和下降当循环超过107的经典疲劳极限时，S-N曲线循环[1,2]。裂纹起始位置从表面变化在HCF制度中，VHCF体系内部夹杂物[3-7]。显眼可见于骨折表面，可大概在其中心。如果故障发生在大约106个周期以上，会形成密切的颗粒状区域。出现的粒状区域名称是光学的黑色区域（ODA）[8,9]，颗粒状亮面（GBF）[5]和细粒区域（FGA）[7]。形成几个解释这部分的断裂面。这些是氢脆 - 由被捕获的氢引起的辅助裂纹夹杂物[8,9]，球形之间的边界断裂碳化物颗粒和基体[10]或形成细粒状层与矩阵之间的多边化和分离[11]。 大多数情况下，FGAs已经变成了5-10％的VHCF寿命[10,12]。通过评估内部的逮捕标记，估计鱼眼，初始裂纹的平均生长速率远远低于每个循环的原子距离和应力强度，因子低于短（和长）裂缝的阈值[13]。平均生长速率低于10-12m /周期的裂纹增长也是通过循环涡轮叶片钢实验证明 [14]。 初始裂纹的缓慢传播包括在FGA的边界消耗几乎所有的VHCF [15]。 随后FGA边界的裂缝增长，预计骨折相对较快（约105个周期[16]）。VHCF性质受到裂纹扩展的大小强烈影响夹杂物，即循环强度和疲劳寿命，随夹杂物浓度的增加而减少[17]。 除了内部夹杂物，疲劳裂纹导致高强度的VHCF故障钢也可以在矩阵内部启动，而不需要夹杂物的存在[18]或在夹杂物的表面处研磨压痕或喷丸硬化处理[19,20]。

马氏体时效钢显示出高的强度与良好的结合韧性，几乎没有尺寸变化，硬化处理时没有开裂，成形性好，焊接性优异。与可热处理钢相比，这些优点使它们成为可能潜在的吸引力在承载组件中强调VHCF制度。 完全逆转拉伸压缩疲劳试验，用四种18Ni马氏体时效进行HCF和VHCF方案，将会具有不同最大夹杂物尺寸的钢[21]。疲劳
骨折发生在109个周期，没有耐力极限会被检测到。 裂缝发生在上面的内部夹杂物
107个周期。 具有较小夹杂物的材料显示更好循环性能和较长的疲劳寿命[21]。 循环张力负荷比R = 0.1时的疲劳试验用a18Ni马氏体时效钢，2.8GPa拉伸强度达107次循环[22]。 断裂模式从表面诱发断裂的变化发现内部夹杂物引起的骨折约为106个周期。
喷丸硬化对18Ni马氏体时效疲劳强度的影响，在旋转弯曲疲劳试验中对钢进行了研究[23]。 增加由于有益的压缩，发现了循环强度在整个调查制度中强调了108个循环。

可以对马氏体时效钢进行氮化处理，以提高表面硬度和耐磨性。氮化表面的高硬度和有利的表面压缩应力可以改善循环性能[24,25]。 循环强度最明显的改善是发现在具有应力梯度和最大值的旋转弯曲试验中的表面应力振幅。 CrMo的HCF性质可以提高107个循环的限制寿命的低合金钢，由于渗氮而在旋转弯曲疲劳试验中高达50％[24,25]。氮化18Ni马氏体时效疲劳寿命增加与未经处理的材料相比，钢在低周期中发现负载比R = 0.1 [26]并在反向弯曲疲劳试验旋转弯曲HCF进行测试[27]。 旋转弯曲疲劳试验到超过108个循环，高速钢显示氮化也增加了VHCF方案的循环强度[28]。 最伟大的在HCF制度中却发现，寿命增加未处理的钢从表面失效而氮化钢内部失效[28]。 在轴向载荷条件下，渗氮增加了平滑标本的疲劳寿命，如果应力幅度足够高以引起表面裂纹发生[29]。 在长寿命的制度中，内部的裂缝开始发生时 ，氮化会没有更多的影响。

薄的18Ni马氏体时效钢板的VHCF性能与氮化在工作中研究了表面。 超声波疲劳
测试方法，循环频率约为20 kHz，用于在载荷比R = 0.1时研究长达109个循环的寿命。在合理的测试时间内超声波测试，由于其测试频率高非常适合进行VHCF调查[30]。超声波实验通常由刺激适当设计的标本共振振动。取决于样品的形状，样品必须具有特定的共振长度，对于20kHz频率，通常位于40mm和110mm之间。板材厚度测试的0.35毫米，由于弯曲问题，不能刺激共鸣振。将薄片安装在载体上在共振中振动的标本显示是成功的，研究表明Ni基超级合金的循环性能的方法是正负载比[31]。 在本研究中需要的方法进一步发展，主要是由于应力高得多马氏体时效钢板实验所需的振幅。

2. Materials and methods

材料和方法

2.1 材料
18Ni马氏体时效钢板与氮化的循环性能表面被调查。 化学成分在重量为：Ni 18％，Co 9％，Mo 5％，Ti 0.5％，余量为Fe。样品在固溶退火条件下由卷材制造。它们在480℃下沉淀，硬化2.5小时，形成强化Ni3Ti和Ni3Mo的析出物。沉淀硬化材料的力学性能试样的核心为拉伸，强度为2000 MPa，产率强度1800MPa，维氏硬度580HV。 其热处理样品在a处气氮化1小时温度低于480℃。氮化处理产生表面层的扩散区深度大约为30米。 渗氮层外表面的维氏硬度层约为1000HV。

在图1中显示了本研究中使用的样品形状。 中心的纸张边缘是圆形的（四舍五入）在0.09和0.10毫米之间）。 循环和静态应力在样品的中心是最大的，并且随负载而减小轴承横截面朝向样品的端部增加。和表面受到标称值的更大95％应力分别为2.7mm3和17.5mm2。

2.2实验程序

实验已经使用超声波对参考文献中的设备进行了详细描述[32]。在传统的超声波疲劳试验样本被刺激共振。选择样本的尺寸，使它们谐振频率在超声波范围内大约为20 kHz。 振动节点形成在试样的中心疲劳损伤通过材料循环进行应变。 在VHCF方案中循环特性的研究在合理的测试时间内可以通过高测试频率启用。利用设备振动幅度的控制
在振幅的闭环电路中进行比较用振动计的反馈信号和调整相应地驾驶标本的动力。 叠加张力伺服液压产生负载比Rgt;alpha;1所需的力或电力机械装载架[32]。

然而，这种材料测试方法是不可行的因为厚度为0.35毫米的片材会扣在下面
超声波加载，导致未定义的弯曲应力和过早失败。 因此，现有的设置进一步发展
如图1所示。 而不是振动共鸣薄18Ni马氏体时效钢板被固定在由Ti6Al4V制成的载体上就像传统的超声波样本那样哑铃状（图2，右下方的分解图）。载体平坦表面和螺丝孔在一侧，以允许螺丝安装薄片。 试样被迫与之联动振动载波的共振频率。 连接2k长的钛棒到承运人的下端，向下延伸到可移动的位置测量与垂直偏差的刻度轴（图2左侧）。

通过将载体弯曲出来实现静态预载荷垂直对齐远离终端，固定样品到载体上并将钛棒拉回结束后，使其再次垂直对齐。大量的用两个应变确定所需静态应变的弯曲附着在试样两侧的量规（图2，右上角，细节视图）和可移动端止动件上的刻度以保证预加载测试负载比R = 0.1。将杆拉回垂直对准确切通过偏转滑轮与弦，连接到钛杆端的重物。在其最终垂直对齐位置杆，不会接触到终点挡板的一小部分，作为检测试样失效的标准：杆接触终端挡块或者标本的夹具载体受损，样品延长通过循环蠕变或失败。但是，材料不显示循环，但在研究的应力下蠕变。钛中的循环应力载体足够低以避免疲劳断裂，由于其长久圆柱形中心部分产生很弱的应力集中比片材样本中较短的测试部分。这个
有效排除由于试样失效的无效检测承运人用连续测试循环的原因导致应变用两个应变计。样品中的横向偏移，由于相对长度较大，正确的弯矩需要，弯曲程序几乎为零的2k钛棒（0.52mu;m）和小屈服力（610N）。

样品的弯曲会导致过早的失效。结果证实了应变计显示出静态和动态应变的对称读数。另外，试样垂直于位移轴振动已经使用MTI Fotonic Sensortrade;纤维偶尔观察到光学测量系统。

以脉冲暂停方式执行超声波的加载标本加热。 额外的强制空气冷却和温度用红外线温度计进行监控，确保样品温度保持接近室温。

3．Result 结果

经过氮化处理的恒幅疲劳试验结果18Ni负荷比R = 0.1时的马氏体时效钢板如图所示。实验是在应力幅度600 MPa和450 MPa之间进行的，寿命为9.1* 106和1.9* 109个循环。两个样品比在450MPa下循环多1.6*109个循环，没有失败，用箭头表示在图1中。

S-N双线中的直线数据近似对数。失效N和应力的循环次数振幅Dr / 2与功率律相关以下等式。

N=c*（/2）-nhellip;hellip;hellip;..

应力幅值在MPa，常数相当于C = 1.52* 1047，指数为n = 14.4。在调查中低于109次循环，材料不显示疲劳极限.

可以使用数字的比率Tr来量化数据分散断裂的概率为90％，骨折概率N90％和10％，N10％根据以下等式。

T=N90%/N10%

包括在所有四个应力水平测量下分析的疲劳寿命。应力幅度对寿命的影响是考虑使用公式（1）。 疲劳寿命的对数正态分布假定[33]并产生T = 3.0的比率。

在扫描电子中检查所有断裂面显微镜（SEM）。从23个断裂的标本中，22个失败内部包含裂纹开始。在一个标本中断裂表面在最终断裂和裂纹期间变形，起始位置不能再找到。 因此，内部夹杂物氮化18Ni马氏体时效钢板是调查中的主要裂纹起始点。

能量色散X射线光谱表明裂纹在研究的18Ni马氏体时效钢中引发颗粒TiN非金属夹杂物。表面积垂直投影对于每个裂纹起始夹杂物的施加的拉伸应力（随后称为区域INC）通过Photoshop中的SEM图像来确定评估像素。包含的平方根表面积.p用于表征夹杂物的大小。 最小的裂缝开始包含显示p = 2.5 lm，最大5.3 lm。 分布p如图1所示。 4在Gumbel概率图。

图5显示导致的内部夹杂物的裂纹发生VHCF失败。裂缝垂直传播所施加的拉伸应力直到达到60lm和80 lm之间的长度。 然后裂纹离开垂直平面大致遵循最大剪切应力的平面。 在这个图。 在加速裂纹生长的这个过程中，晶核准裂解骨折是可见的。 无法在任何断裂面找到线条。

裂缝扩展附近的断裂面垂直于施加的拉伸应力被称为鱼眼断裂面如下。 鱼眼边界的特征是通过将裂纹传播方向改变成平面具有最大剪切应力。 边界有一个形状目前的18Ni马氏海马钢，而鱼眼经常会发现有圆形高强度钢。鱼眼的面积随应力幅度而变化。 意思鱼眼的尺寸范围区域p = 30lm至90lm。

鱼眼骨折表面夹杂物和更大的裂纹长度有明显差异（图5）。 接近于包含骨折呈表面没有步骤或二次裂纹的颗粒状均匀。 在这方面，裂纹扩展方向不能从断裂面外观推断出来该区域（图5中标有白色圆圈）命名包含（IAA）下面的相邻区域。

将IAA截止到鱼眼边界的断裂看起来更加粗糙径向二次裂纹表示裂纹的方向生长。评估IAA的表面积SEM图中的像素。 大小在区p = 14 lm和25 lm之间有所不同。较低的应力幅度较长，寿命显示较大规模的IAA。

裂纹引发的夹杂物可以被认为是初始裂纹。任意形状内部的应力强度范围DK裂纹可以用公式 （3）[34]。

K=0.5** *)1/2

随着压力范围Dr和=

，压力裂纹引发夹杂物的强度范围，可以计算出KINC。图6显示KINC与周期数。 确定夹杂物的最低应力强度范围在两个标本中，失败后1.1*109和1.8* 109循环

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