二次带状组织对低合金非调质钢疲劳性能的影响

工程科学学报，第37卷，第12期：1581-1587,2015年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.12:1581-1587,December 2015 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2015.12.008;http://journals..ustb.edu.cn 二次带状组织对低合金非调质钢疲劳性能的影响 廖庆亮”，程亚杰”，孙斌堂》，范光龙”，赵雷超”，李冰2》，张跃2)回 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:yuezhang(@usth.edu.cn 摘要采用应力比为0.1的轴向拉伸疲劳试验分别研究了低合金钢DG20M和35CrMo钢的疲劳性能与带状组织的关系 结果表明：带状组织对试验材料的轴向拉伸性能没有明显影响，对35CMo钢的轴向拉伸疲劳性能影响较小，但严重减弱 DG20M钢的轴向疲劳性能.带状组织对疲劳性能的影响主要是由于在高的疲劳拉应力下，带状组织引发疲劳微裂纹、微空 洞等疲劳损伤，导致疲劳裂纹萌生及扩展模式发生变化，从而影响疲劳性能 关键词低合金钢：带状组织：疲劳性能：拉伸疲劳试验 分类号TG142.12 Effect of secondary banded structure on the fatigue properties of non-quenched and tempered micro-alloyed steel LIAO Qing-liang",CHENG Ya-jie,SUN Bin-tang?,FAN Guang-ong,ZHAO Lei-chao,Li Bing,ZHANG Yue) 1)School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory of New Metal Materials,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China Corresponding author,E-mail:yuezhang@ustb.edu.cn ABSTRACT The effect of banded structure on the fatigue properties of DG20Mn and 35CrMo micro-alloyed steels was investigated by using axial tensile fatigue tests at a stress ratio of 0.1.The results show that secondary banded structure has no significant effect on the axial tensile properties of the tested steels and the axial tensile fatigue performance of 35CrMo steel,but decreases the axial tensile fatigue performance of DG20Mn steel.Under the high cyclic tensile stress,multi-source damage cracks in the steels initiated by sec- ondary banded structure,which changes the fracture mode,is the major factor of the decrease in fatigue life of the steels. KEY WORDS low alloyed steels:banded structure:fatigue properties:tensile fatigue tests 利用中低碳非调质钢采用热加工方式生产的机械 来减轻或消除二次带状组织.二次带状组织会减弱 零件，往往造成沿加工方向分布的宏观流线及微观的 材料的强度、塑性和韧性，造成力学性能的各向异 二次带状组织Ⅲ.目前对二次带状组织的研究主要集 性.即当带状组织与受力方向垂直时，强度、塑性和 中在二次带状组织的成因及减轻或消除的措施以及对 冲击韧性严重下降；当带状组织与受力方向一致时， 强韧性的影响.二次带状组织的成因一般是由于树枝 拉伸强度等力学性能不会明显下降反而可能升 状结晶引起的合金元素偏析，引起A3温度的局部升 高.疲劳性能不同于静载力学性能，随着抗拉强 高或降低，导致珠光体在局部地区优先形成，最终表现 度升高，疲劳性能可能反而下降9.不同零件的服役 为二次带状组织.一般可以通过加大冷却速度抑制碳 条件不同，往往不能单纯考虑许用强度，对于承受循 的扩散、通过热处理工艺或加强碳化物元素细化晶粒、 环载荷的零件应当采用疲劳强度代替许用强度o 升高A3和降低A3温度的合金元素搭配使用等措施 目前对钢疲劳性能的研究主要集中在疲劳断裂机理 收稿日期：201505-28 基金项目：新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-120777)

工程科学学报，第 37 卷，第 12 期: 1581--1587，2015 年 12 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 12: 1581--1587，December 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 12． 008; http: / /journals． ustb． edu． cn 二次带状组织对低合金非调质钢疲劳性能的影响 廖庆亮1) ，程亚杰1) ，孙斌堂2) ，范光龙1) ，赵雷超1) ，李 冰2) ，张 跃1，2)  1) 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京 100083  通信作者，E-mail: yuezhang@ ustb． edu． cn 摘 要 采用应力比为 0. 1 的轴向拉伸疲劳试验分别研究了低合金钢 DG20Mn 和 35CrMo 钢的疲劳性能与带状组织的关系． 结果表明: 带状组织对试验材料的轴向拉伸性能没有明显影响，对 35CrMo 钢的轴向拉伸疲劳性能影响较小，但严重减弱 DG20Mn 钢的轴向疲劳性能． 带状组织对疲劳性能的影响主要是由于在高的疲劳拉应力下，带状组织引发疲劳微裂纹、微空 洞等疲劳损伤，导致疲劳裂纹萌生及扩展模式发生变化，从而影响疲劳性能． 关键词 低合金钢; 带状组织; 疲劳性能; 拉伸疲劳试验 分类号 TG142. 12 Effect of secondary banded structure on the fatigue properties of non-quenched and tempered micro-alloyed steel LIAO Qing-liang1) ，CHENG Ya-jie1) ，SUN Bin-tang2) ，FAN Guang-long1) ，ZHAO Lei-chao1) ，Li Bing2) ，ZHANG Yue1，2)  1) School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) State Key Laboratory of New Metal Materials，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: yuezhang@ ustb． edu． cn ABSTＲACT The effect of banded structure on the fatigue properties of DG20Mn and 35CrMo micro-alloyed steels was investigated by using axial tensile fatigue tests at a stress ratio of 0. 1． The results show that secondary banded structure has no significant effect on the axial tensile properties of the tested steels and the axial tensile fatigue performance of 35CrMo steel，but decreases the axial tensile fatigue performance of DG20Mn steel． Under the high cyclic tensile stress，multi-source damage cracks in the steels initiated by sec￾ondary banded structure，which changes the fracture mode，is the major factor of the decrease in fatigue life of the steels． KEY WOＲDS low alloyed steels; banded structure; fatigue properties; tensile fatigue tests 收稿日期: 2015--05--28 基金项目: 新世纪优秀人才支持计划资助项目( NCET--12--0777) 利用中低碳非调质钢采用热加工方式生产的机械 零件，往往造成沿加工方向分布的宏观流线及微观的 二次带状组织［1］． 目前对二次带状组织的研究主要集 中在二次带状组织的成因及减轻或消除的措施以及对 强韧性的影响． 二次带状组织的成因一般是由于树枝 状结晶引起的合金元素偏析，引起 A3 温度的局部升 高或降低，导致珠光体在局部地区优先形成，最终表现 为二次带状组织． 一般可以通过加大冷却速度抑制碳 的扩散、通过热处理工艺或加强碳化物元素细化晶粒、 升高 A3 和降低 A3 温度的合金元素搭配使用等措施 来减轻或消除二次带状组织． 二次带状组织会减弱 材料的强 度、塑 性 和 韧 性，造 成 力 学 性 能 的 各 向 异 性． 即当带状组织与受力方向垂直时，强度、塑性和 冲击韧性严重下降; 当带状组织与受力方向一致时， 拉伸强 度 等 力 学 性 能 不 会 明 显 下 降 反 而 可 能 升 高［1--8］． 疲劳性能不同于静载力学性能，随着抗拉强 度升高，疲劳性能可能反而下降［9］． 不同零件的服役 条件不同，往往不能单纯考虑许用强度，对于承受循 环载荷的零件应当采用疲劳强度代替许用强度［9--10］． 目前对钢疲劳性能的研究主要集中在疲劳断裂机理

·1582· 工程科学学报，第37卷，第12期 研究及提高疲劳性能的措施.结果表明提高疲劳性 位进行取样，研究带状组织对DG20Mn和35CrMo钢 能的措施主要有：通过热处理工艺或者加入强碳化 的疲劳性能的影响机理 物元素细化组织或者晶粒提高综合力学性能：加入 1试验材料及方法 合金元素通过析出强化及固溶强化提高钢中软相铁 素体的硬度和强度：通过热处理工艺或加入合金元 试验所用的DG20Mn和35CrMo钢取自经过锻后 素改变钢中相或组织的类型和比例：优化治金条件 空冷正火，600℃回火保温2h水冷处理的7*直柄双钩 减少钢中夹杂物含量：降低钢中氢含量等.二 上的直柄部分.其中DG20Mn直柄中心部分取样命名 次带状组织对疲劳性能的影响及机理方面的系统性 为20-C,表面部分取样命名为20S.同理，35CMo分 研究还较少.本文重点研究带状组织对于纵向受力 别命名为35C和35-S.化学成分如表1所示.分别 时的疲劳性能的影响及作用机理.分别对DG20Mn 取表面以及中心部位，经线切割加工成板状拉伸试样， 和35CMo钢锻造空冷回火处理后的试样在不同部 如图1所示，其中试样厚度为3mm. 表1试验材料的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of the tested steel % 钢样 C Si s P Mn Cr Mo Ni Cu DG20Mn 0.19 0.32 0.005 0.024 1.28 0.05 0.02 0.02 0.03 0.033 35CrMo 0.34 0.27 0.007 0.015 0.49 0.89 0.16 0.02 0.01 0.009 20S为等轴铁素体珠光体，组织均匀，无明显带状组 织.由图2(6)可以看出20C同样为等轴铁素体珠光 体组织，明显呈带状组织，条带间距100~300μm. 220mm 图2(c)是35-S的金相组织.可以看出，组织接 图1疲劳试样示意图 近共析，显微组织主要为珠光体，小部分铁素体块上弥 Fig.I Schematic illustration of fatigue samples 散析出呈粒状碳化物或层片状珠光体.图2()是35一 C的金相组织.35-C和35-S的金相组织基本一致， 在M880拉伸试验机上以GB/T228一2002为标 可以明显看出有碳含量更高的颜色更黑的珠光体条 准分别对DG20Mn和35CrMo钢进行拉伸性能测试. 带.条纹间距大致在100~250um之间.图2(e)和 在Ambler HFP5000试验机以HB5287一1996轴向疲劳试 2(f)分别为DG20Mn和35CrMo的扫描电镜照片.可 验为标准分别对DG20n和35CrMo钢实施轴向拉伸疲 以看出DG20Mn的珠光体片层间距更加细小. 劳拉伸试验，其中拉伸疲劳试样的理论应力集中系数约 2.2疲劳性能 为1，应力比为0.1，频率为90H,并绘制疲劳曲线 表2为试验材料的静载拉伸性能和轴向拉伸疲劳 利用FEISDB场发射扫描电镜观察疲劳断面，研 性能的测试结果.图3为轴向拉伸疲劳试验的S-N曲 究裂纹的萌生及扩展规律.分别对DG2OMn和 线.可以看出带状组织对抗拉强度无明显影响.20C 35CMo钢抛光，然后用3%硝酸乙醇溶液侵蚀，分别用 光学显微镜（型号：9XB-P℃正置式）和扫描电镜 比20-S屈服强度有14MPa的下降，35-C比35-S屈 (ZEISS)观察组织. 服强度有7MPa下降.带状组织使DG2OMn的疲劳性 能下降严重.从图3可以看出，20-C和20-S在相同 2试验结果 应力下，疲劳寿命差了接近2个数量级，在相同疲劳寿 命时，最大疲劳拉应力差了50MPa.带状组织对 2.1微观组织 35CrMo的疲劳性能影响较小.35CrMo的疲劳极限远 图2为试验材料的显微组织.由图2(a)可以看出 低于屈服强度 表2试验材料的力学性能 Table 2 Mechanical properties of the tested steels 编号 疲劳极限，cai/MPa 屈服强度，Ra.,/MPa 抗拉强度，RMPa 疲劳极限比a!/Rm 断后伸长率 20-℃ 265 323 549 0.48 28% 20-S 315 37 551 0.57 29% 35-C 330 605 796 0.42 17% 35-S 340 612 798 0.43 17%

工程科学学报，第 37 卷，第 12 期 研究及提高疲劳性能的措施． 结果表明提高疲劳性 能的措施主要有: 通过热处理工艺或者加入强碳化 物元素细化组织或者晶粒提高综合力学性能; 加入 合金元素通过析出强化及固溶强化提高钢中软相铁 素体的硬度和强度; 通过热处理工艺或加入合金元 素改变钢中相或组织的类型和比例; 优化冶金条件 减少钢中夹杂物含量; 降 低 钢 中 氢 含 量 等［11--18］． 二 次带状组织对疲劳性能的影响及机理方面的系统性 研究还较少． 本文重点研究带状组织对于纵向受力 时的疲劳性能的影响及作用机理． 分别对 DG20Mn 和 35CrMo 钢锻造空冷回火处理后的试样在不同部 位进行取样，研究带状组织对 DG20Mn 和 35CrMo 钢 的疲劳性能的影响机理． 1 试验材料及方法 试验所用的 DG20Mn 和 35CrMo 钢取自经过锻后 空冷正火，600 ℃回火保温 2 h 水冷处理的 7# 直柄双钩 上的直柄部分． 其中 DG20Mn 直柄中心部分取样命名 为 20--C，表面部分取样命名为20--S． 同理，35CrMo 分 别命名为 35--C 和 35--S． 化学成分如表 1 所示． 分别 取表面以及中心部位，经线切割加工成板状拉伸试样， 如图 1 所示，其中试样厚度为 3 mm． 表 1 试验材料的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the tested steel % 钢样 C Si S P Mn Cr Mo Ni Cu Al DG20Mn 0. 19 0. 32 0. 005 0. 024 1. 28 0. 05 0. 02 0. 02 0. 03 0. 033 35CrMo 0. 34 0. 27 0. 007 0. 015 0. 49 0. 89 0. 16 0. 02 0. 01 0. 009 图 1 疲劳试样示意图 Fig． 1 Schematic illustration of fatigue samples 在 Mt880 拉伸试验机上以 GB / T 228—2002 为标 准分别对 DG20Mn 和 35CrMo 钢进行拉伸性能测试． 在 Ambler HFP 5000 试验机以 HB5287—1996 轴向疲劳试 验为标准分别对 DG20Mn 和 35CrMo 钢实施轴向拉伸疲 劳拉伸试验，其中拉伸疲劳试样的理论应力集中系数约 为1，应力比为0. 1，频率为90 Hz，并绘制疲劳曲线． 利用 FEISDB 场发射扫描电镜观察疲劳断面，研 究裂纹的萌生及扩 展 规 律． 分 别 对 DG20Mn 和 35CrMo 钢抛光，然后用3% 硝酸乙醇溶液侵蚀，分别用 光学显 微 镜 ( 型 号: 9XB--PC 正 置 式) 和 扫 描 电 镜 ( ZEISS) 观察组织． 2 试验结果 2. 1 微观组织 图 2 为试验材料的显微组织． 由图2( a) 可以看出 20--S 为等轴铁素体珠光体，组织均匀，无明显带状组 织． 由图 2( b) 可以看出 20--C 同样为等轴铁素体珠光 体组织，明显呈带状组织，条带间距 100 ～ 300 μm． 图 2( c) 是 35--S 的金相组织． 可以看出，组织接 近共析，显微组织主要为珠光体，小部分铁素体块上弥 散析出呈粒状碳化物或层片状珠光体． 图 2( d) 是 35-- C 的金相组织． 35--C 和 35--S 的金相组织基本一致， 可以明显看出有碳含量更高的颜色更黑的珠光体条 带． 条纹间距大致在 100 ～ 250 μm 之间． 图 2 ( e) 和 2( f) 分别为 DG20Mn 和 35CrMo 的扫描电镜照片． 可 以看出 DG20Mn 的珠光体片层间距更加细小． 2. 2 疲劳性能 表 2 为试验材料的静载拉伸性能和轴向拉伸疲劳 性能的测试结果． 图 3 为轴向拉伸疲劳试验的 S--N 曲 线． 可以看出带状组织对抗拉强度无明显影响． 20--C 比 20--S 屈服强度有 14 MPa 的下降，35--C 比 35--S 屈 服强度有 7 MPa 下降． 带状组织使 DG20Mn 的疲劳性 能下降严重． 从图 3 可以看出，20--C 和 20--S 在相同 应力下，疲劳寿命差了接近 2 个数量级，在相同疲劳寿 命时，最大疲劳拉应力差了 50 MPa． 带 状 组 织 对 35CrMo 的疲劳性能影响较小． 35CrMo 的疲劳极限远 低于屈服强度． 表 2 试验材料的力学性能 Table 2 Mechanical properties of the tested steels 编号 疲劳极限，σ0. 1 /MPa 屈服强度，Ｒp0. 2 /MPa 抗拉强度，Ｒm /MPa 疲劳极限比 σ0. 1 /Ｒm 断后伸长率 20--C 265 323 549 0. 48 28% 20--S 315 337 551 0. 57 29% 35--C 330 605 796 0. 42 17% 35--S 340 612 798 0. 43 17% · 2851 ·

廖庆亮等：二次带状组织对低合金非调质钢疲劳性能的影响 ·1583· 150μm 100μm 5μm 5 pm 图2试验材料的显微组织.(a)20s:(b,)20-C:(c)35S:(d,f)35-C Fig.2 Microstructures of the tested steels:(a)20-S;(b,e)20-C;(e)35-S;(d,f)35-C 490 420 20-S 35-C 35-S 20-C 360 420 300 350 105 10 107 105 10 10 疲劳寿命 疲劳寿命 图3试验材料疲劳S-N曲线 Fig.3 S-N curves of the tested steels obtained by axial tensile fatigue tests 2.3疲劳断口形貌 垂直的断面部分（裂纹扩展阶段）发生轻微的宏观塑 在肉眼观察下，DG20Mn的疲劳试样发生不同程 性变形.另一方面20-C和20-S经过10？次拉伸循环 度的塑性变形，随着疲劳寿命增加变形逐渐减小.其 未发生断裂试样，都没有塑性变形发生.35CMo的疲 中20C试样的塑性变形较为为严重，随着疲劳寿命 劳试样没有宏观塑性变形的发生，属于典型的疲劳断 增加，塑性变形程度减小.20-$试样只在与拉伸方向 口形貌

廖庆亮等: 二次带状组织对低合金非调质钢疲劳性能的影响 图 2 试验材料的显微组织 . ( a) 20--S; ( b，e) 20--C; ( c) 35--S; ( d，f) 35--C Fig． 2 Microstructures of the tested steels: ( a) 20--S; ( b，e) 20--C; ( c) 35--S; ( d，f) 35--C 图 3 试验材料疲劳 S--N 曲线 Fig． 3 S--N curves of the tested steels obtained by axial tensile fatigue tests 2. 3 疲劳断口形貌 在肉眼观察下，DG20Mn 的疲劳试样发生不同程 度的塑性变形，随着疲劳寿命增加变形逐渐减小． 其 中 20--C 试样的塑性变形较为为严重，随着疲劳寿命 增加，塑性变形程度减小． 20--S 试样只在与拉伸方向 垂直的断面部分( 裂纹扩展阶段) 发生轻微的宏观塑 性变形． 另一方面 20--C 和 20--S 经过 107 次拉伸循环 未发生断裂试样，都没有塑性变形发生． 35CrMo 的疲 劳试样没有宏观塑性变形的发生，属于典型的疲劳断 口形貌． · 3851 ·

·1584· 工程科学学报，第37卷，第12期 20-S的裂纹源在表面基体处，少部分在次表面夹 于次表面夹杂物处；图4(b)是快速断裂区形貌，照片 杂物处，其中在表面处的裂纹源与拉伸方向成45°，并 放大时大致呈纤维状：图4(c)中可以看到快速断裂区 沿着45°角方向继续扩展形成裂纹扩展第一阶段，呈 少量的疲劳辉纹. 解理状的小刻面.20-S的疲劳断面没有明显的疲劳 在低于6×10次循环载荷断裂的20-C没有明显 裂纹扩展第二阶段，取而代之的是成纤维状的快速断 的主裂纹源，断面以纤维状为主，并且断面的内部或表 裂区，快速断裂区主要有韧窝，极少量的准解理微区和 面分布着块状的光滑解理区和准解理区，多数还分布 疲劳辉纹组成.图4(a)是20-S在3×10次疲劳循环 着二次裂纹.放大后纤维状区以韧窝为主，还有少量 发生断裂的试样的裂纹源的形貌，可以看到裂纹起源 的疲劳辉纹和准解理微区.光滑解理区放大后则为不 (a) (e) 50μm 50μm Sμm 100μm 5μm 10m h 30 um 10m 10m 50 pm 10m 10 um 图4试验材料疲劳断口.(a)(c)20s:(d)~(020-C:(g)~(i)35-C:(i)~(1)35-S Fig.4 SEM images of fatigue fracture surface features for the tested steels:(a)-(c)20-S:(d)-(f)20-C:(g)-(i)35-C:(j)-(1)35-S

工程科学学报，第 37 卷，第 12 期 20--S 的裂纹源在表面基体处，少部分在次表面夹 杂物处，其中在表面处的裂纹源与拉伸方向成 45°，并 沿着 45°角方向继续扩展形成裂纹扩展第一阶段，呈 图 4 试验材料疲劳断口． ( a) ～ ( c) 20--S; ( d) ～ ( f) 20--C; ( g) ～ ( i) 35--C; ( j) ～ ( l) 35--S Fig． 4 SEM images of fatigue fracture surface features for the tested steels: ( a) --( c) 20--S; ( d) --( f) 20--C; ( g) --( i) 35--C; ( j) --( l) 35--S 解理状的小刻面． 20--S 的疲劳断面没有明显的疲劳 裂纹扩展第二阶段，取而代之的是成纤维状的快速断 裂区，快速断裂区主要有韧窝，极少量的准解理微区和 疲劳辉纹组成． 图 4( a) 是 20--S 在 3 × 105 次疲劳循环 发生断裂的试样的裂纹源的形貌，可以看到裂纹起源 于次表面夹杂物处; 图 4( b) 是快速断裂区形貌，照片 放大时大致呈纤维状; 图 4( c) 中可以看到快速断裂区 少量的疲劳辉纹． 在低于 6 × 105 次循环载荷断裂的 20--C 没有明显 的主裂纹源，断面以纤维状为主，并且断面的内部或表 面分布着块状的光滑解理区和准解理区，多数还分布 着二次裂纹． 放大后纤维状区以韧窝为主，还有少量 的疲劳辉纹和准解理微区． 光滑解理区放大后则为不 · 4851 ·

廖庆亮等：二次带状组织对低合金非调质钢疲劳性能的影响 ·1585· 太清晰的疲劳辉纹或者轮胎花样.断面上并没有以小 疲劳损伤应变引发损伤微裂纹和微空洞的发生 刻面为特征的表面疲劳裂纹源.6×10次以上循环载 在无带状组织的材料中由于珠光体和铁素体均匀 荷断裂的试样，断面特征和20-S大致相同.图4(d) 分布，当发生循环拉应力时，珠光体和铁素体可以相互 是20℃在3×10次断裂试样的断面放大照片.可以 协调应变，使得弹塑性好的铁素体发生更大的应变，强 看到纤维状的断面上分布着PSB区、光滑解理区和准 度高、弹性模量大的珠光体产生更小的应变.疲劳应 解理区：纤维区高倍放大后除了韧窝，还可以观察到少 力不变时由于塑性应变使得材料发生强化，继而使得 量的疲劳辉纹，如图4(e)所示：光滑解理区放大后能 随后的应变减小，发生应变损伤的概率进一步下降. 观察到不太清晰的疲劳辉纹，如图4(). 35℃和35-S的疲劳性能差距不大.疲劳断口形 35C和35-S的疲劳断口形貌特征基本一致，具 貌显示35℃相对35S断裂模式并没有改变.合金元 有疲劳断裂的典型特征.图4(g)是35C试样在经过 素使得35CMo组织已经接近共析，且珠光体片层间 6×10次疲劳拉伸循环发生断裂试样的断口裂纹源形 距较大，强度提高同时，塑性降低，容易引发裂纹萌生 貌，可以看出主要有解理状的小刻面组成：图4(h)是 扩展，所以35CMo有较低的疲劳极限比.低的疲劳极 裂纹扩展区形貌，可以看出裂纹扩展区分布着大量疲 限比使得疲劳最大拉应力远低于屈服强度，产生的应 劳辉纹.裂纹扩展第二阶段占整个断面的一半以上； 变远小于疲劳损伤应变，不容易引发损伤裂纹.另一 图4()是瞬间断裂区形貌，可以看出呈韧窝状.图4 方面由于组织接近共析，所以带状组织与基体同属于 (j)~(1)分别是35-S试样在经过6×103次循环载荷 珠光体组织，带状组织特征不是很明显，只是碳含量不 断裂试样的裂纹源、裂纹扩展第二阶段及最后断裂区 同，力学性能差异较小，使得带状组织的疲劳损伤应变 形貌.可以看出断面基本特征和35C一致. 和基体的疲劳损伤应变差别不大，不存在明显的应变 损伤薄弱区.35CMo中的带状组织没有引发疲劳断 3分析讨论 裂模式的改变，所以对疲劳性能影响较小.20-C的断 裂方式更加符合损伤力学模型.20-S和35CMo的断 3.1二次带状组织对疲劳性能的影响 裂方式则更加符合断裂力学，即单一裂纹表面萌生扩 试验结果表明，二次带状组织并没有显著降低材 展最终发生断裂.断裂力学和损伤力学的示意图如图 料的纵向拉伸性能，但是对DG20Mn的疲劳性能有显 5所示四 著的影响.根据试验结果可知，珠光体相对于铁素体 也属于脆性组织，有着更高的弹性模量四.铁素体相 不不 不N 对于珠光体有着更高的疲劳损伤应变，即在相同的疲 劳应变幅下珠光体更容易发生微观断裂损伤.在存在 二次带状组织的拉伸试样中，珠光体和铁素体平行排 7777 列.二次带状组织看成大量长度相等且互相独立互相 (a) 平行排列的纤维组成。纤维束模型中往往应用 图5断裂力学(a)和损伤力学(b)模型示意图 Weibull的强度统计理论，认为固体材料的断裂取决于 Fig.5 Schematic illustration of fracture mechanics (a)and damage 局部缺陷而非整体强度阿 mechanics models (b) 由于带状组织中，铁素体纤维和珠光体纤维平行 为了更好地验证以上分析，对断裂试样断口附近 分布，当发生拉应力并产生拉应变时，相互之间具有很 取样，抛光浸蚀后观察表面.在20S经过5×10次循 强的独立性，并不能相互协调应变，珠光体纤维和铁 环应力断裂的试样表面观察到萌生于铁素体处的表面 素体纤维产生相同的应变，由于珠光体条带对循环应 裂纹，如图6(a)所示：在20-C经过4×10次循环载荷 变损伤较为敏感，在高应力循环载荷下很容易在珠光 断裂试样表面观察到萌生于珠光体条带处的表面裂 体处提前产生微观损伤断裂，产生微裂纹和微空洞 纹，如图6(b)所示.35CMo由于强度高且塑性差，裂 随着循环载荷的不断进行，损伤继续扩大，一方面损伤 纹萌生后，迅速扩展，不容易产生二次裂纹，所以在疲 微裂纹和微空洞长大并合并成为大裂纹使得应力更加 劳断裂试样的断口附近表面没有发现裂纹. 集中：另一方面损伤使得有效横截面积减小，有效载荷 3.2二次带状组织对疲劳断口形貌的影响 加大，产生更大应变，损伤加剧.大于10次循环载荷 疲劳辉纹是疲劳裂纹扩展第二阶段典型微观特 断裂试样，疲劳拉应力低于300MPa,应变减小（塑性 征.在裂纹扩展第二阶段疲劳最大拉应力小于材料的 应变消失)，损伤不容易内部产生.总的来说，20C低 屈服强度，裂纹尖端应力集中产生屈服，一条辉纹代表 周疲劳断裂模型主要是由于带状组织引起的珠光体应 一次载荷时裂纹尖端的塑性变形0-0.一般来说，高 变（既包含弹性应变也包括塑性应变）超过珠光体的 强钢塑性较差，在疲劳断裂第二阶段不容易出现明显

廖庆亮等: 二次带状组织对低合金非调质钢疲劳性能的影响 太清晰的疲劳辉纹或者轮胎花样． 断面上并没有以小 刻面为特征的表面疲劳裂纹源． 6 × 106 次以上循环载 荷断裂的试样，断面特征和 20--S 大致相同． 图 4( d) 是 20--C 在 3 × 105 次断裂试样的断面放大照片． 可以 看到纤维状的断面上分布着 PSB 区、光滑解理区和准 解理区; 纤维区高倍放大后除了韧窝，还可以观察到少 量的疲劳辉纹，如图 4( e) 所示; 光滑解理区放大后能 观察到不太清晰的疲劳辉纹，如图 4( f) ． 35--C 和 35--S 的疲劳断口形貌特征基本一致，具 有疲劳断裂的典型特征． 图 4( g) 是 35--C 试样在经过 6 × 105 次疲劳拉伸循环发生断裂试样的断口裂纹源形 貌，可以看出主要有解理状的小刻面组成; 图 4( h) 是 裂纹扩展区形貌，可以看出裂纹扩展区分布着大量疲 劳辉纹． 裂纹扩展第二阶段占整个断面的一半以上; 图 4( i) 是瞬间断裂区形貌，可以看出呈韧窝状． 图 4 ( j) ～ ( l) 分别是 35--S 试样在经过 6 × 105 次循环载荷 断裂试样的裂纹源、裂纹扩展第二阶段及最后断裂区 形貌． 可以看出断面基本特征和 35--C 一致． 3 分析讨论 3. 1 二次带状组织对疲劳性能的影响 试验结果表明，二次带状组织并没有显著降低材 料的纵向拉伸性能，但是对 DG20Mn 的疲劳性能有显 著的影响． 根据试验结果可知，珠光体相对于铁素体 也属于脆性组织，有着更高的弹性模量［1］． 铁素体相 对于珠光体有着更高的疲劳损伤应变，即在相同的疲 劳应变幅下珠光体更容易发生微观断裂损伤． 在存在 二次带状组织的拉伸试样中，珠光体和铁素体平行排 列． 二次带状组织看成大量长度相等且互相独立互相 平行排列的纤维组成． 纤 维 束 模 型 中 往 往 应 用 Weibull 的强度统计理论，认为固体材料的断裂取决于 局部缺陷而非整体强度［19］． 由于带状组织中，铁素体纤维和珠光体纤维平行 分布，当发生拉应力并产生拉应变时，相互之间具有很 强的独立性，并不能相互协调应变． 珠光体纤维和铁 素体纤维产生相同的应变，由于珠光体条带对循环应 变损伤较为敏感，在高应力循环载荷下很容易在珠光 体处提前产生微观损伤断裂，产生微裂纹和微空洞． 随着循环载荷的不断进行，损伤继续扩大，一方面损伤 微裂纹和微空洞长大并合并成为大裂纹使得应力更加 集中; 另一方面损伤使得有效横截面积减小，有效载荷 加大，产生更大应变，损伤加剧． 大于 106 次循环载荷 断裂试样，疲劳拉应力低于 300 MPa，应变减小( 塑性 应变消失) ，损伤不容易内部产生． 总的来说，20--C 低 周疲劳断裂模型主要是由于带状组织引起的珠光体应 变( 既包含弹性应变也包括塑性应变) 超过珠光体的 疲劳损伤应变引发损伤微裂纹和微空洞的发生． 在无带状组织的材料中由于珠光体和铁素体均匀 分布，当发生循环拉应力时，珠光体和铁素体可以相互 协调应变，使得弹塑性好的铁素体发生更大的应变，强 度高、弹性模量大的珠光体产生更小的应变． 疲劳应 力不变时由于塑性应变使得材料发生强化，继而使得 随后的应变减小，发生应变损伤的概率进一步下降． 35--C 和 35--S 的疲劳性能差距不大． 疲劳断口形 貌显示 35--C 相对 35--S 断裂模式并没有改变． 合金元 素使得 35CrMo 组织已经接近共析，且珠光体片层间 距较大，强度提高同时，塑性降低，容易引发裂纹萌生 扩展，所以 35CrMo 有较低的疲劳极限比． 低的疲劳极 限比使得疲劳最大拉应力远低于屈服强度，产生的应 变远小于疲劳损伤应变，不容易引发损伤裂纹． 另一 方面由于组织接近共析，所以带状组织与基体同属于 珠光体组织，带状组织特征不是很明显，只是碳含量不 同，力学性能差异较小，使得带状组织的疲劳损伤应变 和基体的疲劳损伤应变差别不大，不存在明显的应变 损伤薄弱区． 35CrMo 中的带状组织没有引发疲劳断 裂模式的改变，所以对疲劳性能影响较小． 20--C 的断 裂方式更加符合损伤力学模型． 20--S 和 35CrMo 的断 裂方式则更加符合断裂力学，即单一裂纹表面萌生扩 展最终发生断裂． 断裂力学和损伤力学的示意图如图 5 所示［19］． 图 5 断裂力学( a) 和损伤力学( b) 模型示意图 Fig． 5 Schematic illustration of fracture mechanics ( a) and damage mechanics models ( b) 为了更好地验证以上分析，对断裂试样断口附近 取样，抛光浸蚀后观察表面． 在 20--S 经过 5 × 104 次循 环应力断裂的试样表面观察到萌生于铁素体处的表面 裂纹，如图 6( a) 所示; 在 20--C 经过 4 × 105 次循环载荷 断裂试样表面观察到萌生于珠光体条带处的表面裂 纹，如图 6( b) 所示． 35CrMo 由于强度高且塑性差，裂 纹萌生后，迅速扩展，不容易产生二次裂纹，所以在疲 劳断裂试样的断口附近表面没有发现裂纹． 3. 2 二次带状组织对疲劳断口形貌的影响 疲劳辉纹是疲劳裂纹扩展第二阶段典型微观特 征． 在裂纹扩展第二阶段疲劳最大拉应力小于材料的 屈服强度，裂纹尖端应力集中产生屈服，一条辉纹代表 一次载荷时裂纹尖端的塑性变形［10--11］． 一般来说，高 强钢塑性较差，在疲劳断裂第二阶段不容易出现明显 · 5851 ·

·1586· 工程科学学报，第37卷，第12期 80m 图620-S(a)和20-C(b)的表面裂纹光学显微镜照片 Fig.6 Optical microscopy images of cracks in 20-(a)and 20-C (b) 的疲劳辉纹-0.但是，在断口形貌观察中发现：20-S 能均无显著差异.主要原因在于：35CMo的带状组织 断面没有或者只有极少量的疲劳辉纹；35CMo的断面 特征不够明显，即带状组织和基体之间都属于珠光体 一半左右都分布着疲劳辉纹：在20-C的轴向拉伸疲 组织，弹性模量差距小，不存在明显的应变损伤缺陷薄 劳试验中，低于6×10次断裂的试样，断口形貌都表现 弱区：35CrMo疲劳极限比较低，产生的循环应变远远 出低周疲劳断裂的特征：20-C发生整体宏观塑性变 小于断裂应变，不足以产生断裂损伤 形，纤维状断面上分布着块状光滑解理区、准解理区和 (4)疲劳辉纹并不是单纯地随着强度升高而减小 二次裂纹.结合断面形貌和力学性能分析如下：20-$ 或消失，在一定强度范围内，随着强度升高，疲劳极限 断面形貌有着清晰的裂纹源和裂纹扩展第一阶段，裂 比减小，裂纹扩展第二阶段面积增大，疲劳辉纹增多. 纹源和裂纹扩展第一阶段面积较大（占断面的13左 右)，当裂纹扩展第一阶段完成后，横截面减小，使得 参考文献 最大疲劳拉应力显著大于屈服强度，产生明显的宏观 塑性变形，裂纹扩展第二阶段消失，直接进入裂纹快速 [Song W X.Metallographic.3rd Ed.Beijing:Metallurgical Indus- try Press,2008 断裂区（随着塑性变形的不断进行，产生微空洞，空洞 (宋维希.金属学.第三版.北京：治金工业出版社，2008) 不断长大，最终断裂，并形成纤维状的断面，由于是循 2] Zhang Y L,Liu H Y,Ruan X J,et al.Microsegregation behav- 环载荷，纤维状断面上分布着少许的疲劳辉纹).20一 iors of alloy elements and their effects on the formation of banded C低周断裂过程中，由于珠光体条带的大应变（包含塑 structure in pinion steels.J Univ Sci Technol Beijing,2009,21 性应变)导致损伤，引发多源开裂，既有表面裂纹也有 (Suppl 1):199 内部裂纹.内部的光滑解理区则是内部的损伤裂纹扩 (张延玲，刘海英，阮小江，等.中低碳齿轮钢中合金元素的 偏析行为及其对带状组织的影响.北京科技大学学报，2009， 展产生的.由于损伤的发生，有效横截面减少，应力增 21(增刊1)：199) 加，塑性应变继续，产生宏观塑性变形，最终断裂并形 B]Cai Z,Huang Y H,Zhang Y,et al.Mechanism of effect of cool- 成纤维状断口.35CrMo由于疲劳极限比较低，当裂纹 ing rate of ferrite/pearlite banded structure.J Iron Steel Res, 源第一阶段完成后，最大疲劳拉应力远低于屈服强度， 2012,24(6):25 所以裂纹扩展第二阶段面积很大，疲劳辉纹分布面积 (蔡珍，黄运华，张跃，等.冷却速度对铁素体一珠光体带状 较大，同时由于35CMo的塑性较差，疲劳辉纹粗大. 组织的影响机制.钢铁研究学报，2012,24(6)：25) [4]Zhang Y H,Lai HZ,Zhao H J.Research status of banded struc- 4结论 ture in steel.Steel Rolling,2014,31(3):45 (张迎晖，糗泓洲，赵洪金.钢中带状组织研究现状.轧钢， (1)二次带状组织对DG20Mn和35CrMo钢的静 2014,31(3):45) 态拉伸性能均无显著影响 [5] Ahmed M,Salam I,Hashmi F,et al.Influence of banded struc- (2)二次带状组织使得DG20Mn轴向拉伸疲劳性 ture on mechanical properties of a high-strength maraging steel.J 能严重下降.主要原因在于：二次带状组织改变断裂 Mater Eng Perform,1997,6(2):165 模式，即二次带状组织导致珠光体和铁素体平行排列， 6 Kong X H,Sun R H,Tang J,et al.Influence of cooling speed in two phase region on banded structure of 20CrMnTi steel.Trans 在循环拉应力下珠光体的循环应变大于断裂应变导致 Mater Heat Treat,2012,33(4):91 损伤的产生，并引发多源裂纹 (孔样华，孙瑞虹，唐晋，等.两相区冷速对齿轮钢20 CrMnTi (3)35C和35S的断裂模式和轴向拉伸疲劳性 带状组织的影响.材料热处理学报，2012,33(4)：91)

工程科学学报，第 37 卷，第 12 期 图 6 20--S ( a) 和 20--C ( b) 的表面裂纹光学显微镜照片 Fig． 6 Optical microscopy images of cracks in 20--S ( a) and 20--C ( b) 的疲劳辉纹［9--10］． 但是，在断口形貌观察中发现: 20--S 断面没有或者只有极少量的疲劳辉纹; 35CrMo 的断面 一半左右都分布着疲劳辉纹; 在 20--C 的轴向拉伸疲 劳试验中，低于6 × 105 次断裂的试样，断口形貌都表现 出低周疲劳断裂的特征; 20--C 发生整体宏观塑性变 形，纤维状断面上分布着块状光滑解理区、准解理区和 二次裂纹． 结合断面形貌和力学性能分析如下: 20--S 断面形貌有着清晰的裂纹源和裂纹扩展第一阶段，裂 纹源和裂纹扩展第一阶段面积较大( 占断面的 1 /3 左 右) ，当裂纹扩展第一阶段完成后，横截面减小，使得 最大疲劳拉应力显著大于屈服强度，产生明显的宏观 塑性变形，裂纹扩展第二阶段消失，直接进入裂纹快速 断裂区( 随着塑性变形的不断进行，产生微空洞，空洞 不断长大，最终断裂，并形成纤维状的断面，由于是循 环载荷，纤维状断面上分布着少许的疲劳辉纹) ． 20-- C 低周断裂过程中，由于珠光体条带的大应变( 包含塑 性应变) 导致损伤，引发多源开裂，既有表面裂纹也有 内部裂纹． 内部的光滑解理区则是内部的损伤裂纹扩 展产生的． 由于损伤的发生，有效横截面减少，应力增 加，塑性应变继续，产生宏观塑性变形，最终断裂并形 成纤维状断口． 35CrMo 由于疲劳极限比较低，当裂纹 源第一阶段完成后，最大疲劳拉应力远低于屈服强度， 所以裂纹扩展第二阶段面积很大，疲劳辉纹分布面积 较大，同时由于 35CrMo 的塑性较差，疲劳辉纹粗大． 4 结论 ( 1) 二次带状组织对 DG20Mn 和 35CrMo 钢的静 态拉伸性能均无显著影响． ( 2) 二次带状组织使得 DG20Mn 轴向拉伸疲劳性 能严重下降． 主要原因在于: 二次带状组织改变断裂 模式，即二次带状组织导致珠光体和铁素体平行排列， 在循环拉应力下珠光体的循环应变大于断裂应变导致 损伤的产生，并引发多源裂纹． ( 3) 35--C 和 35--S 的断裂模式和轴向拉伸疲劳性 能均无显著差异． 主要原因在于: 35CrMo 的带状组织 特征不够明显，即带状组织和基体之间都属于珠光体 组织，弹性模量差距小，不存在明显的应变损伤缺陷薄 弱区; 35CrMo 疲劳极限比较低，产生的循环应变远远 小于断裂应变，不足以产生断裂损伤． ( 4) 疲劳辉纹并不是单纯地随着强度升高而减小 或消失，在一定强度范围内，随着强度升高，疲劳极限 比减小，裂纹扩展第二阶段面积增大，疲劳辉纹增多． 参 考 文 献 ［1］ Song W X． Metallographic． 3rd Ed． Beijing: Metallurgical Indus￾try Press，2008 ( 宋维希． 金属学． 第三版． 北京: 冶金工业出版社，2008) ［2］ Zhang Y L，Liu H Y，Ｒuan X J，et al． Microsegregation behav￾iors of alloy elements and their effects on the formation of banded structure in pinion steels． J Univ Sci Technol Beijing，2009，21 ( Suppl 1) : 199 ( 张延玲，刘海英，阮小江，等． 中低碳齿轮钢中合金元素的 偏析行为及其对带状组织的影响． 北京科技大学学报，2009， 21( 增刊 1) : 199) ［3］ Cai Z，Huang Y H，Zhang Y，et al． Mechanism of effect of cool￾ing rate of ferrite / pearlite banded structure． J Iron Steel Ｒes， 2012，24( 6) : 25 ( 蔡珍，黄运华，张跃，等． 冷却速度对铁素体--珠光体带状 组织的影响机制． 钢铁研究学报，2012，24( 6) : 25) ［4］ Zhang Y H，Lai H Z，Zhao H J． Ｒesearch status of banded struc￾ture in steel． Steel Ｒolling，2014，31( 3) : 45 ( 张迎晖，赖泓洲，赵洪金． 钢中带状组织研究现状． 轧钢， 2014，31( 3) : 45) ［5］ Ahmed M，Salam I，Hashmi F，et al． Influence of banded struc￾ture on mechanical properties of a high-strength maraging steel． J Mater Eng Perform，1997，6( 2) : 165 ［6］ Kong X H，Sun Ｒ H，Tang J，et al． Influence of cooling speed in two phase region on banded structure of 20CrMnTi steel． Trans Mater Heat Treat，2012，33( 4) : 91 ( 孔祥华，孙瑞虹，唐晋，等． 两相区冷速对齿轮钢 20CrMnTi 带状组织的影响． 材料热处理学报，2012，33( 4) : 91) · 6851 ·

廖庆亮等：二次带状组织对低合金非调质钢疲劳性能的影响 *1587· ]Khalid F,Farooque M,Haq A,et al.Role of ferrite/pearlite tent and microstructure on the fatigue behaviour of steel AE banded structure and segregation on mechanical properties of mi- 52100 in the VHCF regime.Int J Fatigue,2014,60:74 croalloyed hot rolled steel.Mater Sci Technol,1999,15 (10): [14]Cha X Q.Study of Non Quenched and Tempered Steel on Fatigue 1209 Peformance [Dissertation].Kunming:Kunming University of [8]Krebs B,Germain L,Hazotte A.Banded structure in dual phase Science and Technology,2007 steels in relation with the austenite-o-ferrite transformation mecha- (查小琴.非调质钢疲劳性能研究[学位论文].昆明：昆明 nisms.J Mater Sci,2011,46(21):7026 理工大学，2007) [9]Zhai H,Zhang Y,Huang Y H,et al.An analysis on fatigue frac- [15]Kubena 1,Fournier B,Kruml T.Effect of microstructure on low ture of oil-suck-od of non-quenching and tempering steel.Spec cycle fatigue properties of ODS steels.J Nucl Mater,2012,424:101 Steel,2004,25(5):44 [16]Zhang J S.Strength of Materials.Harbin:Harbin Institute of (翟浩，张跃，黄运华，等.非调质钢抽油杆疲劳断裂的分析 Technology Press,2004 特殊钢，2004,25(5)：44) (张俊善.材料强度学.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， [10]Laurito D,Baptistaa C.Torres M,et al.Microstructural effects 2004) on fatigue crack growth behavior of a microalloyed steel.Procedia [17]Mughrabi H.Plastic Deformation and Fracture of Materials.Bei- Eng,2010,2(1):1915 jing:Science Press,1998 [11]Schaf W,Marx M,Knorr A.Influence of microstructural barriers (Mughrabi H.材料的塑性变形与断裂.北京：科学出版社， on small fatigue crack growth in mild steel.Int J Fatigue,2013, 1998) (57):86 [18]Zhou J Z,Huang S,Zuo L D,et al.Effects of laser peening on [12]Hui W J,Dong H,Weng Y Q.High-eycle fatigue properties of residual stresses and fatigue crack growth properties of Ti-6Al- medium-carbon microalloyed forging steels.Iron Steel,2011,46 4V titanium alloy.Opt Laser Eng,2014,52:189 (2):1 [19]Yu S W,Feng X Q.Damage Mechanics.Beijing:Tsinghua Uni- (惠卫军，董瀚，翁宇庆.中碳非调质钢的高周疲劳性能.钢 versity Press,1997 铁，2011,46(2)：1) (余寿文，冯西桥。损伤力学.北京：清华大学出版社， [13]Karsch T,Bomas H,Zoch H,et al.Influence of hydrogen con- 1997)

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