D01:10.13374.isml00103x.2009.06.017 第31卷第5期 北京科技大学学报 Vol.31 No.5 2009年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2009 拉伸与低周疲劳载荷作用下夹杂物特征参数对航空用 超高强度钢中裂纹萌生与扩展的影响 王冲曾燕屏谢锡善 北京科技大学材料科学与工程学院.北京100083 摘要为了研究非金属夹杂物对航空用超高强度钢性能的影响，采用扫描电镜原位观测的方法，跟踪观察了拉伸和低周疲 劳载荷作用下两种航空用超高强度钢中不同种类、形态和尺寸的夹杂物导致裂纹萌生与扩展的微观行为.结果表明，对于单 个TN和AN夹杂，在拉伸载荷作用下，裂纹均首先在夹杂内部萌生.夹杂面积越大，夹杂内萌生的裂纹条数趣多，第1条裂 纹萌生所需的应力越小.在疲劳载荷作用下，对于单个TN夹杂，裂纹也首先萌生于夹杂内部.但对于以点链状形式存在的 AN夹杂，无论是在拉伸还是疲劳载荷作用下，裂纹均首先在点链状夹杂内部两夹杂之间的母材中萌生，然后沿点链状夹杂向 两侧扩展.以点链状形式存在的夹杂对材料疲劳性能的危害比单个夹杂严重得多，夹杂物对材料疲劳性能的危害远大于对拉 伸性能的危害. 关键词超高强度钢：夹杂物：特征参数：裂纹萌生与扩展 分类号TG132.32 Influence of characteristic inclusion parameters on crack initiation and propaga- tion in ultra-high strength steels for aerospace application under tensile and low cyclic fatigue loading WANG Chong,ZENG Yan-ping,XIE Xi-shan School of Materials Science and Engireering.University of Science and Technology Biing.Beiing 100083.China ABSTRACT In order to study the effect of nommetallic inclusions on the mechanical properties of ultrahigh strength steels for aerospace application,the microbehavior of inclusion inducing crack initiation and propagation in two ultrahigh strength steels under tensile and low cyclic fatigue loading was investigated by means of SEM in situ observations.The influence of indusions shape and size on crack initiation and propagation was analy zed.The results show that cracks initiate in a TiN or AlN inclusion alone under ten sile loading.The larger the size of an inclusion.the more the number of cracks initiated in the indusion is,and the lower the initiation stress of the first crack is.Cracks also initiate in a TiN inclusion alone under fatigue loading.But for a chain of AIN inclusions,cracks initiate in the matrix between two inclusions under tensile and fatigue loading.A chain of inclusions is more harmful to the fatigue properties of ultra-high strength steels than an inclusion alone,and an inclusion is more harmful to the fatigue properties than to the tensile properties. KEY WORDS ultrarhigh strengthen steel indlusions characteristic inclusion parameters crack initiation and propagation 马氏体时效钢MA250被广泛用于制造燃气涡 要有很好的疲劳性能.但是，要得到强度高、疲劳性 轮发动机中涡轮与叶片的连接轴).由于该轴既承 能好的MA250钢是非常困难的.因为它以沉淀析 受扭转低周疲劳载荷又承受单轴低周与高周疲劳载 出的金属间化合物Ni3Mo和Ni3Ti为强化相，为了 荷，因此要求MA250钢既要有很高的屈服强度，又 得到较高的强度，钢中必须添加一定量的合金元素 收稿日期：200806-02 基金项目：美国通用(GE)航空发动机公司资助项目 作者简介：王冲(1984一），男，顾士研究生，E-mail.wangchong-.zm乌yaho.cmm.cr曾燕屏(1963-），女，副教授，博士拉伸与低周疲劳载荷作用下夹杂物特征参数对航空用 超高强度钢中裂纹萌生与扩展的影响 王 冲 曾燕屏 谢锡善 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 摘 要 为了研究非金属夹杂物对航空用超高强度钢性能的影响, 采用扫描电镜原位观测的方法, 跟踪观察了拉伸和低周疲 劳载荷作用下两种航空用超高强度钢中不同种类、形态和尺寸的夹杂物导致裂纹萌生与扩展的微观行为.结果表明, 对于单 个 TiN 和 AlN 夹杂, 在拉伸载荷作用下, 裂纹均首先在夹杂内部萌生.夹杂面积越大, 夹杂内萌生的裂纹条数越多, 第 1 条裂 纹萌生所需的应力越小.在疲劳载荷作用下, 对于单个 TiN 夹杂, 裂纹也首先萌生于夹杂内部.但对于以点链状形式存在的 AlN 夹杂, 无论是在拉伸还是疲劳载荷作用下, 裂纹均首先在点链状夹杂内部两夹杂之间的母材中萌生, 然后沿点链状夹杂向 两侧扩展.以点链状形式存在的夹杂对材料疲劳性能的危害比单个夹杂严重得多, 夹杂物对材料疲劳性能的危害远大于对拉 伸性能的危害. 关键词 超高强度钢;夹杂物;特征参数;裂纹萌生与扩展 分类号 TG132.3 +2 Influence of characteristic inclusion parameters on crack initiation and propaga￾tion in ultra-high strength steels for aerospace application under tensile and low cyclic fatigue loading WANG Chong, ZENG Yan-ping, XIE Xi-shan S chool of Materials S cience and Engineering, Universit y of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACT In order to study the effect of no n-metallic inclusions on the mechanical properties of ultra-hig h strength steels fo r aerospace application, the micro-behavio r of inclusion inducing crack initiation and propagation in two ultra-high streng th steels under tensile and low cyclic fatigue loading was investigated by means of SEM in situ observations.The influence of inclusio ns' shape and size on crack initiation and propagation was analy zed.The results show that cracksinitiate in a TiN or AlN inclusion alone under ten￾sile loading .The larger the size of an inclusion, the more the number of cracks initiated in the inclusion is, and the lower the initiation stress of the first crack is .Cracks also initiate in a TiN inclusio n alone under fatigue loading.But for a chain of AlN inclusions, cracks initiate in the matrix between tw o inclusions under tensile and fatigue loading .A chain of inclusions is mo re harmful to the fatigue properties of ultra-high streng th steels than an inclusion alone, and an inclusion is more harmful to the fatigue properties than to the tensile properties. KEY WORDS ultra-high streng then steel;inclusions;characteristic inclusion parameters;crack initiatio n and propagation 收稿日期:2008-06-02 基金项目:美国通用(GE) 航空发动机公司资助项目 作者简介:王 冲( 1984—) , 男, 硕士研究生, E-mail:wangchong -zzu@yahoo .com .cn;曾燕屏( 1963—) , 女, 副教授, 博士 马氏体时效钢 MA250 被广泛用于制造燃气涡 轮发动机中涡轮与叶片的连接轴[ 1] .由于该轴既承 受扭转低周疲劳载荷又承受单轴低周与高周疲劳载 荷, 因此要求 MA250 钢既要有很高的屈服强度, 又 要有很好的疲劳性能.但是, 要得到强度高、疲劳性 能好的 MA250 钢是非常困难的.因为它以沉淀析 出的金属间化合物 Ni3Mo 和 Ni3Ti 为强化相, 为了 得到较高的强度, 钢中必须添加一定量的合金元素 第 31 卷 第 5 期 2009 年 5 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.5 May 2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.05.017