【摘 要】
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随着现代工业的进步,许多行业关键设备装配的轴承要求具有高达10~9循环周次的服役寿命,因而对轴承钢的冶金质量及环境中的氢损伤抗力提出了更高的要求。因此,本文采用超声波疲劳试验机、扫描电镜和氢热分析仪等实验设备和有限元分析技术,对比研究了两种不同冶金工艺流程（电渣重熔ESR和连铸CC）生产的高碳铬轴承钢GCr15的超高周疲劳破坏行为,分析了不同类型夹杂物的裂纹萌生模式及其对超高周疲劳性能的影响规律,
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随着现代工业的进步,许多行业关键设备装配的轴承要求具有高达10~9循环周次的服役寿命,因而对轴承钢的冶金质量及环境中的氢损伤抗力提出了更高的要求。因此,本文采用超声波疲劳试验机、扫描电镜和氢热分析仪等实验设备和有限元分析技术,对比研究了两种不同冶金工艺流程（电渣重熔ESR和连铸CC）生产的高碳铬轴承钢GCr15的超高周疲劳破坏行为,分析了不同类型夹杂物的裂纹萌生模式及其对超高周疲劳性能的影响规律,并对比研究了三种不同氢含量下电渣重熔高碳铬轴承钢GCr15（ESR-B）超高周疲劳性能的差异,探索了氢对疲劳裂纹萌生与早期扩展行为的影响。得到的主要研究结果如下:针对两类不同冶金质量轴承钢超高周疲劳破坏行为的研究表明,发现ESR钢较CC钢具有更好的超高周疲劳性能,10~9循环周次下的疲劳强度从865 MPa提高到898 MPa,这主要是由于ESR钢的夹杂物尺寸和含量均小于CC钢所致。同时发现,不同类型夹杂物因弹性模量、热膨胀系数和形貌等的差异而呈现出两种不同的疲劳裂纹萌生模式,即夹杂物/基体界面开裂（球形硫化物-氧化物复合夹杂及氧化物）和夹杂物内部开裂（尖锐硬脆的氮化物）。两种实验钢的超高周疲劳断裂均起源于内部夹杂物,除个别断口外,疲劳源夹杂物周围均存在明显的粗糙粒状区域（GBF）。不同类型夹杂物开始形成GBF区的门槛值(ΔKinc)th不同,其中氮化物的门槛值最低,可视为GBF形成的门槛值。夹杂物内部开裂模式及其较低的GBF形成门槛值,使得氮化物对实验钢超高周疲劳性能的危害性更大。随着外加应力幅σa的减小,GBF区尺寸增大;当σa一定时,GBF大小与夹杂物的大小无关而为常数;在一定的σa下,疲劳寿命Nf与夹杂物尺寸呈-8次幂关系。针对ESR-B钢在三组不同氢含量下的超高周疲劳破坏行为研究发现,氢含量最低（～0.36 wppm）的真空炉热处理VA样的超高周疲劳性能略优于氢含量略高（～0.52 wppm）的空气炉热处理NH样,而氢含量最高（～2.22 wppm）的充氢CH样的疲劳强度则降低了～20%。与VA样和NH样相比,CH样的氮化物萌生裂纹的比例明显降低。氢对夹杂物危险性的影响主要与夹杂物和钢基体的结合程度和完整性有关。等效GBF尺寸和归一化GBF尺寸均随着σa的增大而减小,随着疲劳寿命的增加而增大,而CH样的变化更为显著。氢不仅降低了GBF形成开始的门槛值(ΔKint-th),而且降低了裂纹稳定扩展开始的门槛值(ΔKGBF)th,也就是说,随着氢含量的增加,裂纹可以在更小的应力或夹杂物尺寸下萌生和扩展。
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