·782 北京科技大学学报 第36卷 2 um 图3高强钢的横向微观组织.(a)金相照片：(b)扫描电镜照片 Fig.3 Transverse microstructure of the high-strength steel:(a)metallurgical image;(b)SEM image 粒能均匀地分担应力应变集中，在交变应力下，细化 a=6x1+0)]° (2) 的晶粒也能阻止位错放出，从而推迟疲劳裂纹核心 的产生四.另外，由于晶界两侧晶粒的位向不同， 式中：A为钢中夹杂物的临界投影面积：c为与缺陷 当疲劳裂纹扩展到晶界时，便被迫改变扩展方向，并 有关的常数，表面夹杂c=1.43,亚表面夹杂c= 使疲劳辉纹间距改变，阻碍了裂纹的扩展.因而，高 1.41,内部夹杂c=1.56;Hv为维氏硬度，该材料实 强钢晶粒细小，晶界多，在形变时较为困难，在晶粒 测为Hv291.高强钢中夹杂物多呈球形，未观察到 细化作用下提高了滑移均匀性，使材料表现出良好 方形夹杂，当夹杂物为球形时，表面夹杂（表面夹杂 的疲劳性能 物为半球形)的临界尺寸为D=√8/云·√瓜，亚表面 2.2夹杂物对疲劳性能的影响 和内部夹杂的临界尺寸为D=√4/云·√瓜.通过计 材料疲劳裂纹的萌生，也叫做疲劳裂纹成核 算可以得到表面夹杂的临界尺寸为6.5μm,亚表面 大量研究表明疲劳裂纹主要出现在高应力的位 夹杂的临界尺寸为5.9μm,内部夹杂的临界尺寸为 置2-：(1)应力集中区如大尺寸夹杂、明显缺口 10.9um.当夹杂物尺寸大于临界值时，疲劳裂纹从 或孔洞等材料不连续处.(2)带钢表面.大多数情 该处萌生.图4为高强钢中的A山、Ti复合夹杂物. 况下，材料最大的应力状态总是处于表面或近表层， 从图中可以看出，CSP工艺生产的高强钢中夹杂物 如承受弯曲和扭转；同时表面因受机加工的影响，难 平均尺寸为2~3um,且多呈球形，夹杂物平均尺寸 免存在刀痕和微小缺陷等 均小于公式所计算的临界值，尺寸10μm以上的夹 钢中夹杂物的状态对高强钢的疲劳性能有重要 杂物不到5%，因而疲劳裂纹不从夹杂物处萌生.高 影响.下式给出了经典的Gth公式： 强钢的低夹杂物水平，细化的晶粒组织和较好的表 面质量，使其具有优良的疲劳性能. TEy 0e= W(1-)2d (1) 式中，σ。为临界断裂应力，E为弹性模量，y为材料 表面能，v为泊松比，d为初始裂纹长.钢中夹杂物 可视为初始裂纹，夹杂物尺寸即为初始裂纹长度，夹 杂物尺寸越大，临界断裂应力越小，越容易形成疲劳 裂纹源：从夹杂物形状上来看，尖角形夹杂物周围应 力场要比球形夹杂物的应力场大得多的.因此，控 制钢中夹杂物形貌和含量可以有效推迟疲劳裂纹的 MAG:2242x HV:20.0 kV WD:9.1 mm 6 萌生，进而提高钢的疲劳性能 图4高强钢中的A1、T复合夹杂物 为了避免夹杂物对高强钢疲劳性能的危害，通 Fig.4 Al-Ti composite inclusions in the high-strength steel 常应将夹杂物尺寸控制在一定的范围内.大量研究 结果表明：夹杂物尺寸存在一个临界尺寸，当夹杂物 2.3疲劳性能 尺寸小于临界值时，疲劳裂纹将不从夹杂物处萌生. 在周期性循环应力的作用下，材料的抗疲劳性 在前人研究基础上推导出表达式： 能一般用S-V曲线和疲劳极限表示.图5为采用升北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 3 高强钢的横向微观组织． ( a) 金相照片; ( b) 扫描电镜照片 Fig． 3 Transverse microstructure of the high-strength steel: ( a) metallurgical image; ( b) SEM image 粒能均匀地分担应力应变集中，在交变应力下，细化 的晶粒也能阻止位错放出，从而推迟疲劳裂纹核心 的产生［11］． 另外，由于晶界两侧晶粒的位向不同， 当疲劳裂纹扩展到晶界时，便被迫改变扩展方向，并 使疲劳辉纹间距改变，阻碍了裂纹的扩展． 因而，高 强钢晶粒细小，晶界多，在形变时较为困难，在晶粒 细化作用下提高了滑移均匀性，使材料表现出良好 的疲劳性能． 2. 2 夹杂物对疲劳性能的影响 材料疲劳裂纹的萌生，也叫做疲劳裂纹成核． 大量研究表明疲劳裂纹主要出现在高应力的位 置［12 － 13］: ( 1) 应力集中区如大尺寸夹杂、明显缺口 或孔洞等材料不连续处． ( 2) 带钢表面． 大多数情 况下，材料最大的应力状态总是处于表面或近表层， 如承受弯曲和扭转; 同时表面因受机加工的影响，难 免存在刀痕和微小缺陷等． 钢中夹杂物的状态对高强钢的疲劳性能有重要 影响． 下式给出了经典的 Griffith 公式［14］: σc = πEγ ( 1 － ν) 槡 2 d ． ( 1) 式中，σc为临界断裂应力，E 为弹性模量，γ 为材料 表面能，ν 为泊松比，d 为初始裂纹长． 钢中夹杂物 可视为初始裂纹，夹杂物尺寸即为初始裂纹长度，夹 杂物尺寸越大，临界断裂应力越小，越容易形成疲劳 裂纹源; 从夹杂物形状上来看，尖角形夹杂物周围应 力场要比球形夹杂物的应力场大得多［15］． 因此，控 制钢中夹杂物形貌和含量可以有效推迟疲劳裂纹的 萌生，进而提高钢的疲劳性能． 为了避免夹杂物对高强钢疲劳性能的危害，通 常应将夹杂物尺寸控制在一定的范围内． 大量研究 结果表明: 夹杂物尺寸存在一个临界尺寸，当夹杂物 尺寸小于临界值时，疲劳裂纹将不从夹杂物处萌生． 在前人研究基础上推导出表达式［16］: 槡A = [ c 1. 6 × ( 1 + 120 ) ] Hv 6 ． ( 2) 式中: A 为钢中夹杂物的临界投影面积; c 为与缺陷 有关的常数，表面夹杂 c = 1. 43，亚表面夹杂 c = 1. 41，内部夹杂 c = 1. 56; Hv 为维氏硬度，该材料实 测为 Hv 291． 高强钢中夹杂物多呈球形，未观察到 方形夹杂，当夹杂物为球形时，表面夹杂( 表面夹杂 物为半球形) 的临界尺寸为 D = 槡8 /π·槡A，亚表面 和内部夹杂的临界尺寸为 D = 槡4 /π·槡A． 通过计 算可以得到表面夹杂的临界尺寸为 6. 5 μm，亚表面 夹杂的临界尺寸为 5. 9 μm，内部夹杂的临界尺寸为 10. 9 μm． 当夹杂物尺寸大于临界值时，疲劳裂纹从 该处萌生． 图 4 为高强钢中的 Al、Ti 复合夹杂物． 从图中可以看出，CSP 工艺生产的高强钢中夹杂物 平均尺寸为 2 ～ 3 μm，且多呈球形，夹杂物平均尺寸 均小于公式所计算的临界值，尺寸 10 μm 以上的夹 杂物不到 5% ，因而疲劳裂纹不从夹杂物处萌生． 高 强钢的低夹杂物水平，细化的晶粒组织和较好的表 面质量，使其具有优良的疲劳性能． 图 4 高强钢中的 Al、Ti 复合夹杂物 Fig． 4 Al-Ti composite inclusions in the high-strength steel 2. 3 疲劳性能 在周期性循环应力的作用下，材料的抗疲劳性 能一般用 S--N 曲线和疲劳极限表示． 图 5 为采用升 ·782·