AISI 4340钢强韧性与疲劳裂纹扩展研究

作     者：潘权文 

作者单位：东北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：颜莹;王斌

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：AISI4340钢 双真空冶炼 显微组织 疲劳裂纹 扩展行为 

摘      要：因其较好的综合力学性能，AISI4340高强钢被广泛应用于各领域制备关键构件。作为结构材料，AISI4340钢在服役过程中长期经受循环载荷的作用，故需兼具一定的韧性和疲劳性能以保证服役过程中的安全可靠性。根据断裂力学理论，材料的断裂韧性和疲劳裂纹扩展性能是构件服役前损伤容限设计的基础，建立描述疲劳裂纹扩展的模型有助于方便准确地预测材料的疲劳寿命，保障材料服役安全。随着社会科技进步，双真空冶炼工艺能显著提高材料的纯净度，降低材料中夹杂物的含量，进而提高材料的高周疲劳性能。但目前，双真空冶炼AISI4340钢微观组织、力学性能（强塑性）、断裂韧性、疲劳裂纹扩展行为及其与普通冶炼AISI4340钢的对比研究还缺乏。因此，本文通过拉伸、断裂韧性及疲劳裂纹扩展速率实验，以及利用光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和透射电镜（TEM）对微观组织和断口形貌的观察，系统地研究了不同热处理状态双真空冶炼AISI4340钢的显微组织和力学性能（强塑性、断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率），同时验证了不同应力比下改进的疲劳裂纹扩展速率公式的适用性，这为高强钢力学性能的改善以及改进的疲劳裂纹扩展速率公式在工程优化选材和构件设计中的应用提供了理论依据。 研究了热处理以及冶炼工艺对AISI4340钢强韧塑性的影响。油淬态双真空冶炼AISI4340钢的微观组织主要由板条和片层孪晶马氏体组成，板条内位错密度较高;在350℃回火的钢中有大量碳化物析出，且仍能观察到片层孪晶马氏体;随着回火温度继续升高，片层孪晶马氏体逐渐分解消失，板条马氏体内位错密度下降，550℃回火后，组织演变成回火索氏体。随着回火温度升高，双真空冶炼AISI4340钢的强度下降，韧塑性提高，这与片层孪晶马氏体逐渐分解消失、板条马氏体内位错密度下降和碳化物的球化有关。与普通冶炼工艺相比，双真空冶炼显著降低了AISI4340钢中夹杂物含量和尺寸，从而提高其韧塑性;油淬态和350℃回火态双真空冶炼AISI4340钢中纳米尺度片层孪晶马氏体的存在导致其强度-韧塑性同步提高。 揭示了热处理和应力比对双真空冶炼AISI4340钢疲劳裂纹扩展速率的影响规律。在相同应力比和相同应力场强度因子幅下，回火态双真空冶炼AISI4340钢的疲劳裂纹扩展速率几乎相同，油淬态钢的疲劳裂纹扩展速率相对较高，表明油淬态双真空冶炼AISI4340钢抵抗裂纹扩展的能力相对较差;在同一应力场强度因子幅下，随着应力比的增大，油淬态双真空冶炼AISI4340钢疲劳裂纹扩展速率提高，回火态钢的疲劳裂纹扩展速率几乎不变，而疲劳裂纹稳态扩展阶段均随着应力比的增大有所缩短。因此，应力比对油淬态疲劳裂纹扩展速率影响较大，且随着应力比的增大，双真空冶炼AISI4340钢疲劳裂纹稳态扩展阶段缩短。 验证了改进的疲劳裂纹扩展公式在不同应力比下的适用性。改进的疲劳裂纹扩展速率公式在不同应力比（R=0.1、0.3和0.5）下预测的da/dN与△K的变化规律与实验结果相同;不同应力比条件下，改进的疲劳裂纹扩展速率公式在油淬态钢中均得到较好的验证;回火态钢中，在应力比R=0.1下公式预测的结果与实验数据吻合较好;应力比增大会使公式预测结果与实验数据偏离，在应力比R=0.3条件下预测结果与实验结果偏差在50％以内;在应力比R=0.5条件下预测结果与实验结果偏差在100％以内。