６０ＣｒＭｎＭｏ钢热疲劳裂纹形成及扩展机制的研究崔明勋，刘伟，赵品（燕山大学）本文借助高 频感应加热；金相和电镜（热疲劳试样表面上限温度在７２３～８７３Ｋ，疲劳次数在１０００次 内），研究了６０ＣｒＭｎＭｏ钢热疲劳裂纹的形成和扩展过程，结果表明：主裂纹在挤入沟处萌 生，并使其前沿产生结构疏松；裂纹扩展分为，裂纹与空孔或空孔与空孔正断连结的快速不稳定扩 展和裂纹沿亚晶界蠕动切断的慢速稳定扩展的两个阶段；并提出了裂纹扩展的数学模型。ＭＥＣＨ ＡＮＩＳＭＯＦＦＯＲＭＡＴＩＯＮＡＮＯＰＲＯＰＡＧＡＴＩＯＮＯＦＴＨＢＲＭＡＬＦＡＴＩ ＧＵＥＣＲＡＣＫＯＮ６０ＣｒＭｎＭｏＳＴＥＥＬ￥ＣｕｉＭｉｎｇｘｕｎ；ＬｉｕＷｅｉ；Ｚ ｈａｏＰｉｎ（ＹａｎｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）Ｔｈｅｐａｐｅｒ，ｂｙｍｅａｎｓｏｆ ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｎｄｕｃｔｉｏｎｈｅａｔｉｉｎｇ，ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐ ｈａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒ ｅａｔｓｐｅｃｉｍｅｎｓｕｒｆａｃｅｉｓ７２３ｋ－８７３Ｋａｎｄｔｈｅｒｍａｌｆａｔｉ ｇｕｅｔｉｍｅｓａｒｅｂｅｌｏｗ１０００），ｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈ ｅｒｍａｌｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋ’ｓｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｏ ｎ６０ＣｒＭｎＭｏｓｔｅ－ｅｌ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｍａｉｎｃｒａｃｋ ｓａｒｅｆｏｒｍｅｄａｔｅｘｔｒｕｄｅｄｄｉｔｃｈｅｓａｎｄｌｅｔｔｈｅｆｏｒｗａｒｄ ｅｄｇｅｓｏｆｔｈｅｅｘｔｒｕｄｅｄｄｉｔｃｈｅｓｐｒｏｄｕｃｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏ ｎｌｏｏｓｉｎｇ，ｔｈｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｉｓｄｉｖＭｅｄｉｎｔｏｔｗｏｓｔａｇｅ ｓ，ｉ．ｅ．ｑｕｉｃｋ，ｎｏｎ－ｓｔｅａｄｙ，ｓｔｒａｉｇｈｔ－ｆｒａｃｔｕｒｃｃｒａ ｃｋｔｈｒｏｕｇｈｃｏｌｎｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｐｏｓｉｔｉｖｅｈｏｌｅｓｗｉｔｈｐｏｓ ｉｔｉｖｅｈｏｌｅｓ，ｏｒｐｏｓｉｔｉｖｅｈｏｌｅｓｗｉｔｈｍｉｃｒｏｃｒａｃｋｓａｎ ｄｌｏｗ－ｓｐｅｅｄ，ｓｈｅｅｒ－ｆｒａｃｔｕｒｅｃｒａｃｋｗｒｉｇｇｌｅｄａｌｏｎｇ ｓｕｂｇｒ－ａｉｎｂｏｕｎｄａｒｙ．Ｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅ ｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｉｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．轧辊的主要失效形式冷轧辊为剥 落，热辊为龟裂。所以目前很多学者大力进行轧辊抗龟裂方面的研究￣［１，２］，然而，对轧辊 热龟裂的产生和发展，宏观和微观的物理力学行为本质的认识尚很不清楚，恐怕是热轧辊工作条件 的复杂性，使实验研究很难准确模拟有关。本文是作为热轧辊钢龟裂的系统研究的一部分，就其热 疲劳过程的研究结果作一介绍．１．实验方法及设备装置实验用的钢种为齐钢生产提供的６０Ｃｒ ＭｎＭｏ钢（Ｃ０．６１％，Ｍｎ０．８９％，Ｃｒ１，０５％，Ｍｏ０．２８％，Ｓｉ０．３５ ％，Ｐ．Ｓ≤０．００４％）。锻成１２×２００ｍｍ棒料，经调质８２０℃×１ｈ油淬６１０℃ ×１．５ｈ炉冷处理后得回火索氏体组织，后精车成１０×２５ｍｍ试样，表面再用细砂纸磨光。 本实验采用１０ｋＷ电子管式高频发生器，频率为５００ｋｃ，感应圈是用６ｍｍ的铜管压扁围成 内１２×７ｍｍ的单圈感应器，并在其内壁上钻有四排１ｍｍ间隔为２ｍｍ的喷水孔，喷水间隔用 时间继电器来控制。实验中所用的有效输出功率为５．７９，６．５２，７．６５ｋＷ三种，其对 应的试样表面温度由本设备特性曲线￣［３］查出，为７２３，７９３，８７３Ｋ。热疲劳通断电 规范如图１所示。加热过程停水，冷却过程喷水，是由二联系人：崔明勋，副教授，秦皇岛（０６ ６００４）燕山大学材抖系个延时继电器来自动控制，即加热０，３６ｓ，喷水冷却２．０４ｓ， 冷至室温为一周期。上限温度由有效输出功率来调整。２．实验结果及分析２·１热疲劳与裂纹深 度热疲劳后的试样用慢速锯纵切，磨，抛光后用工具显微镜测量最大裂纹深度。在三种实验温度下 最大裂纹与热疲劳次数的关系见表１。
裂纹深度（Ｌ）和疲劳次数（Ｎ）之间的对数关系如图２所 示。实验点以最小二乘法线性回归，连线符合线性方程。式（１）微分的裂纹的扩展速率：且每一 温度下皆有明显的转折点，大致在０·５～０．６ｍｍ裂纹深度附近，大体与表面脱碳层相当（图 ４）。显然以此为界，裂纹的扩展受两种机制支配。经线性回归计算，各温度下裂纹后期（Ⅱ）扩 展方程为：前期扩展实验点只有两点，直接连结延长。裂纹前期（Ⅱ）扩展方程为：７２３Ｋｌｇ Ｌ＝２．２３ｌｇＮ－５．５８，Ｌ＝３×１０￣－６Ｎ￣２．２３ｄＬ／ｄＮ＝６．６×１０￣ －６Ｎ￣１２３７９３ＫｌｇＬ＝１．２０ｌｇＮ－３．０３，Ｌ＝９×１０￣－４×Ｎ￣１２０ ｄＬ／ｄＮ＝１×１０￣－３Ｎ￣０２０８７３ＫＬ＝０．８８ｌｇＮ－２．１６，Ｌ＝７×１０ ￣－３Ｎ￣０．８８ｄＬ／ｄＮ＝６×１０￣－Ｎ￣０·１２２·２裂纹扩展激活能的估计￣［４ ］横堀￣［５］认为疲劳裂纹扩展过程是热激活过程，故式（１）可改写为Ｌ＝ｂＮ￣α＝ｃＮ￣ α·ｅ－Ｑ／ＲＴ＝Ｋ·ｅ－Ｑ／ＲＴ（３）式中ｂ，ｃ，ｋ＝ｃＮ￣ａ为常数，Ｑ为激活能，Ｒ 为气体常数。故ｌｎＬ＝ｌｎＫ－Ｑ／ＲＴ（４）Ⅱ期扩展取５００次，代入式（４）经计算ＱＩ ＝１５．０ｋＪ／ｍｏｌＩ期扩展取１３０次经计算ＱＩ＝６８．６ｋＪ／ｍｏｌ故前期（１）裂 纹扩展所需能量比后期至少大于４倍以上，说明前期扩展需大量的塑变功消耗能量所致。２·３裂 纹的萌生和扩展从图２折线知，裂纹的扩展过程可分为裂纹的萌生（孕育期），快速不稳定扩展（ Ⅰ），慢速稳定扩展（Ⅱ）三个阶段。从图３可置出，主裂纹的萌生是在热疲劳形成的挤入沟中形 成，挤入沟是加热冷却过程引起的轴向热应力使表面上与轴向成４５°最大切应力的方向上的那些 处于软位间晶粒，首先发生单滑移均匀变形，然后进入双滑移的热疲劳过程中形成的。挤入沟前沿 又产生应力集中而进入不均匀塑变，且双滑移又使两个交叉的滑移面上位错在交叉口处发生位错反 应：合成的ａ［ｏｉｏ］全位错不在ｂｃｃ滑移面上，而在（００１）面上成为固定位错，只能靠 攀移才能运动。所以更加引起位错的堆积而增加应力集中产生微裂纹。双滑移过程中，刃、螺位错 与螺位错的割阶又形成大量的空位列而挤入沟前沿晶体结构发生疏松，加之热扩散的帮助发生空位 的聚集形成空孔。再之轴向热应力即正应力和氧的脆化的帮助，孔与孔之间拉断或孔与微裂纹之间 连结垂直于表面向里扩展（图４）。此阶段的裂纹扩展以及萌生主要是材料大塑变之后果，即应变 硬化和软化（回复再生结晶）的交替，大应力与热起伏使碳原子大迁移，发生脱碳现象。其过程如 图５所示。这与作者在文献［８］中Ａ３钢冷塑变基块（Ｍａｔｒｉｘｇｒｅｉｎ）￣［６］５５ ０℃回复过程中合并长大的情况完全一致。其中白亮区为贫碳区，团块状的基块中央为黑色塑变富 碳区。基块的边缘（Ｍａｔｒｉｘｂｏｎｄ）￣［７］本是相互垂直的集中塑变的切变带（顽固滑 移带￣［５］）和形变带，经多次应变硬化和软化的净化过程中发生回复再结晶而形成低碳铁索体 的白亮区（多相合金在相界面上的再结晶晶核是非常小的）。其硬度和疲劳次数的关系如图６所示 。随热疲劳次数的增加，白色贫碳区变为铁素体，黑色的富碳区变为粒状珠光体。这在图７ａ、６ 、ｃ电镜照片中得到证实。这些富碳区进一步热疲劳硬化和软化，使粒状碳化物也发生分解扩散， 最终变为铁素体，从而进一步增厚脱碳层，基块区向里推进一步。主裂纹扩展的第二阶段见图８， 裂纹沿轴向４５°方向即沿塑性流动的方向，贫碳区和富碳区边缘亚晶界蠕动，切应力剪断所致￣ ［５］。所以第一阶段垂直扩展的裂纹改变方向沿４５°方向扩展，这与向里轴向应力减弱有关。 ３．结论３·１６０ＣｒＭｎＭｏ纲高频感应热疲劳过程中裂纹的扩展符合Ｌ＝ｂＮ￣ａ关系，裂 纹扩展速率为ｄＬ／ｄＮ＝ＫＮ￣ａ－１。３·２热疲劳过程分为裂纹的萌生，快速不稳定扩展， 慢速稳定扩展三个阶段。３·３主裂纹的萌生主要是在热疲劳挤入沟中形成，快速不稳定扩展主要 是挤入沟前沿应力集中大塑变产生的疏松孔空间正断或空孔与微裂纹连结所致，慢速稳定扩展主要 是贫碳区和富碳区之间的亚晶界的蠕动切应力剪断所致。３·４裂纹扩展前期（Ⅰ）消耗的能量大 于后期（Ⅱ）４倍以上，这主要是消耗在前期大塑变形成空孔与正断之中。３·５热疲劳表面脱碳 是疲劳塑变基块边缘（Ｍａｔｒｉｘｂａｎ）紧缩吞食心部塑变区（黑色富碳区）长大，并使基块 区向里推移所致。参考文献｜｜［１］Ｍｅｒｉｎｇｅｒ，Ｆ．Ｊ．，ＴｒａｎＳ．ＡＳＭＥＳｅ ｒ·Ｄ．１９８２，６６１．［２］田部博辅，轧辊译文集，１９７３，机工版，１９８０［３］ 李富勇，燕山大学１０ｋｗ高频设备特性说明书，１９８８．［４］崔明勋，及川洪，
日本金属学会，１９８５，１９５～２０２．［５］横堀武夫，日本金属学会，１９８４。［６］崔明勋，王天生，东北重机学院学，１９８７，２。［７］伊藤邦夫，轻金属，１９８１，４９７。60CrMnMo钢热疲劳裂纹形成及扩展机制的研究@崔明勋，刘伟，赵品$燕山大学,燕山大学材抖系本文借助高频感应加热；金相和电镜（热疲劳试样表面上限温度在７２３～８７３Ｋ ，疲劳次数在１０００次内），研究了６０ＣｒＭｎＭｏ钢热疲劳裂纹的形成和扩展过程，结果表 明：主裂纹在挤入沟处萌生，并使其前沿产生结构疏松；裂纹扩展分为，裂纹与空孔或空孔与空孔 正断连结的快速不稳定扩展和裂纹沿亚晶界蠕动切断的慢速稳定扩展的两个阶段；并提出了裂纹扩 展的数学模型。［１］Ｍｅｒｉｎｇｅｒ，Ｆ．Ｊ．，ＴｒａｎＳ．ＡＳＭＥＳｅｒ·Ｄ．１９８ ２，６６１．［２］田部博辅，轧辊译文集，１９７３，机工版，１９８０［３］李富勇，燕山大学１０ｋｗ高频设备特性说明书，１９８８．［４］崔明勋，及川洪，日本金属学会，１９８５，１９５～２
More abstracts about the 60CrMnMo钢热疲劳裂纹形成及扩展机制的研究