2200 MPa低涡轴用钢析出相及低周疲劳性能研究

作     者：姚倡达 

作者单位：钢铁研究总院 

学位级别：硕士

导师姓名：厉勇

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：低涡轴用钢 复合析出强化 低周疲劳 动态力学性能 

摘      要：目前以GE1014、ML340等钢种为代表的复合二次硬化超高强度钢已经成为国际上新一代航空发动机轴用材料的主流技术方向。本文以M2C合金碳化物和β-Ni Al金属间化合物复合析出强化型2200 MPa航空发动机低压涡轮轴用钢为研究对象,针对其在服役环境要求的室温/高温低周疲劳和动态冲击等使用性能,利用OM、SEM、XRD、TEM等测试方法对试验钢显微组织进行了微观表征分析;测试了相应状态的室温、高温力学性能,分析拉伸、冲击过程曲线,得到了试验钢力学性能的变化规律和内在机理;探究了试验钢低周疲劳循环响应行为、断口形貌以及循环过程中的结构演变;利用分离式霍普金森压杆（SHPB）对试验钢的动态力学性能进行研究,并构建了其动态性能本构方程。 2200 MPa低涡轴用钢经淬火+深冷后,在495°C回火过程中,（Mo,Cr）2C合金碳化物、β-Ni Al金属间化合物以及薄膜状逆转变奥氏体同步复合析出;随着回火时间的延长,（Mo,Cr）2C合金碳化物和β-Ni Al金属间化合物逐渐长大,逆转变奥氏体含量增加,马氏体基体位错密度下降,导致了试验钢的室温抗拉强度逐渐降低;而试验钢室温低周疲劳寿命随回火时间延长呈增加趋势,回火10h后低周疲劳寿命可达12617次;随着低周循环次数的增加,试验钢中的位错密度不断降低,发生循环软化,室温低周疲劳裂纹主要起裂于试样表面缺陷。 2200 MPa低涡轴用钢经淬火+深冷+495°C短时回火（1h、5h）后,在400°C高温拉伸过程发生动态应变时效,随着回火时间延长,由于碳化物的长大消耗大量间隙碳原子,动态应变时效逐渐减弱;回火10h后在400°C高温拉伸过程不再发生动态应变时效,此时试验钢400°C低周疲劳寿命最长,εmax=0.93%条件下,可达178091次;而由于动态应变时效的影响,试验钢回火1h、5h后,其在400°C低周疲劳循环过程中后期发生循环硬化并最终迅速断裂;试验钢400°C高温低周疲劳裂纹主要起裂于试样表面或内部的氧化物夹杂物。在450 s-1～4000 s-1应变速率动态加载下,2200 MPa低涡轴用钢的动态屈服强度随应变速率的增大不断增加,表现出较强的应变率强化效应;并建立了反映试验钢动态屈服强度与应变速率之间关系的C-S本构模型以及反映流变应力-应变关系的J-C本构模型,为2200 MPa低涡轴用钢的工程应用提供了理论依据。