D01:10.13374.isml00103x.2009.08.018 第31卷第8期 北京科技大学学报 Vol.31 No.8 2009年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ag2009 XCQ16和20Mn2车轴用钢疲劳失效的微观机理 黄重国)董红磊》袁清华) 井溢农2》 任学平3) 1)北京科技大学土木与环境工程学院。北京1000832)包头钢铁（集团）公司技术中心.包头014010 3)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要利用扫描电镜(SEM)对XCQ16和20M2两种车轴用钢疲劳断口和裂纹扩展断口进行分析，研究疲劳失效过程中的 裂纹萌生及扩展机理.结果表明：裂纹均是从试样表面萌生，非金属夹杂和位错是主要的萌生机制：XC016钢在疲劳断口中 部区的裂纹闭合效应大于20M2钢.裂纹扩展较慢：两者在裂纹扩展区的扩展机理不同，XCQ16钢属于塑性断裂20Mn2钢 属于解理断裂：在非金属夹杂上，XCQ16钢多含氧化物和硫化物的混合夹杂，20M2钢主要是氧化物夹杂，混合夹杂对材料的 疲劳性能影响较小。 关键词疲劳失效：断口分析：疲劳裂纹萌生：疲劳裂纹扩展：微观机理：非金属夹杂物 分类号TH1173 Microscopic mechanism of XCQ16 and 20Mn2 axle steel fatigue failure HUANGZhong-guo,DONG Hong-lei,YU AN Qing-hua.JING Yi-nong2.REN Xueping 1)School of Civil and Envimnmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beiing 100083,China 2)Technical Center.Baotou Iron Steel(Group)Ltd..Baotou 014010.Chim 3)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083 China ABSTRACT The fatigue fracture and crack propagation of XCQ16 and 20Mn2 axle steel were observed by SEM.Based on the ob- served results the mechanisms of fatigue crack initiation and propagation were studied.It is show n that cracks initiate from the sam- ple surfaces.The main mechanism of crack initiation is non-metallic inclusions and dislocations.The crack dosure effect of XCQ16 steel is stronger than 20Mn2 steel in crack propagation areas leading to a lower crack gowth rate The fracture mechanisms of the two steels are different:plastic fracture for XCQ16 and cleav age fracture for 20Mn2.Non-metallic inclusions in XCQ16 are composed of ox ide inclusions and sulfide inclusions but mainly oxide inclusions in 20Mn2 steel.The mixed inclusions in XCQ 16 steel have less effect on its fatigue property. KEY WORDS fatigue failure;fracture analy sis:fatigue crack initiation fatigue crack propagation:micnosoopic mechanism:non- metallic inclusio ns 车轴是半挂车运行和承载的重要部件，传统车 展是疲劳失效的主要过程，通过对疲劳断口形貌进 轴采用20Mn2钢通过三段焊接方式生产车轴. 行观察和分析，可以明确车轴用钢在疲劳破坏过程 XCQ16为包钢新开发的整体式半挂车车轴材料，与 的裂纹萌生和扩展的内在原因和规律. 传统流程相比，其生产工艺简单、重量轻、综合力学 材料疲劳极限反映了材料抵抗裂纹萌生的能 性能较好，且成本低廉，杜绝了焊接过程中的质量隐 力，而裂纹扩展速率则反映了材料抵抗裂纹扩展的 患，应用日趋广泛.车轴在使用过程中主要承受交 能力.本文通过对20Mn2和XCQ16两种车轴用无 变载荷，失效形式多为疲劳破坏.在交变载荷的作 缝钢管进行疲劳极限和裂纹扩展速率实验，利用 用下，材料的组织缺陷会发生不均匀的变化。从而萌 SEM对其疲劳断口和裂纹扩展断口进行宏观和局 生微观裂纹并扩展直至最终失效).裂纹萌生和扩 部微细观察和分析，研究其疲劳失效过程中的裂纹 收稿日期：200810-22 作者简介：黄重国(1965一)，男.副教授博士，E-mail:garyhuang@163.cmXCQ16 和 20Mn2 车轴用钢疲劳失效的微观机理 黄重国1) 董红磊1) 袁清华1) 井溢农2) 任学平3) 1)北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 2)包头钢铁(集团)公司技术中心, 包头 014010 3)北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 摘 要 利用扫描电镜(SEM)对 XCQ16 和 20Mn2 两种车轴用钢疲劳断口和裂纹扩展断口进行分析, 研究疲劳失效过程中的 裂纹萌生及扩展机理.结果表明:裂纹均是从试样表面萌生, 非金属夹杂和位错是主要的萌生机制;XCQ16 钢在疲劳断口中 部区的裂纹闭合效应大于 20Mn2 钢, 裂纹扩展较慢;两者在裂纹扩展区的扩展机理不同, XCQ16 钢属于塑性断裂, 20Mn2 钢 属于解理断裂;在非金属夹杂上, XCQ16 钢多含氧化物和硫化物的混合夹杂, 20Mn2 钢主要是氧化物夹杂, 混合夹杂对材料的 疲劳性能影响较小. 关键词 疲劳失效;断口分析;疲劳裂纹萌生;疲劳裂纹扩展;微观机理;非金属夹杂物 分类号 TH 117.3 Microscopic mechanism of XCQ16 and 20Mn2 axle steel fatigue failure HUANG Zhong-guo 1), DONG Hong-lei 1), YU AN Qing-hua 1), J ING Yi-nong 2), REN X ue-ping 3) 1)School of Civil and Environment al Engineering , Universit y of Science and Technology Beijing , Beijing 100083 , China 2)Technical Cent er , Baot ou Iron &St eel(Group)Ltd., Baot ou 014010 , China 3)School of Mat erials Science and Engineering , University of S cience and Technology Beijing , Beijing 100083 , China ABSTRACT The fatigue fracture and crack propagation of XCQ16 and 20Mn2 axle steel were observed by SEM .Based on the ob￾served results, the mechanisms of fatig ue crack initiation and propagation were studied.It is show n that cracks initiate from the sam￾ple surfaces.The main mechanism of crack initiation is non-metallic inclusions and dislocations .The crack closure effect of XCQ16 steel is stronger than 20Mn2 steel in crack propagation areas, leading to a lower crack g rowth rate.The fracture mechanisms of the two steels are different :plastic fracture for XCQ16 and cleav ag e fracture for 20Mn2 .Non-metallic inclusions in XCQ16 are composed of ox ide inclusio ns and sulfide inclusions, but mainly oxide inclusionsin 20Mn2 steel.The mixed inclusions in XCQ16 steel have less effect on its fatigue property. KEY WORDS fatigue failure;fracture analy sis ;fatigue crack initiation;fatigue crack propagation ;micro scopic mechanism ;non￾metallic inclusio ns 收稿日期:2008-10-22 作者简介:黄重国(1965—), 男, 副教授, 博士, E-mail:garyhuang @163.com 车轴是半挂车运行和承载的重要部件, 传统车 轴采用 20Mn2 钢通过三段焊接方式生产车轴 . XCQ16 为包钢新开发的整体式半挂车车轴材料, 与 传统流程相比, 其生产工艺简单、重量轻、综合力学 性能较好 ,且成本低廉,杜绝了焊接过程中的质量隐 患,应用日趋广泛 .车轴在使用过程中主要承受交 变载荷 ,失效形式多为疲劳破坏 .在交变载荷的作 用下 ,材料的组织缺陷会发生不均匀的变化, 从而萌 生微观裂纹并扩展直至最终失效[ 1] .裂纹萌生和扩 展是疲劳失效的主要过程 ,通过对疲劳断口形貌进 行观察和分析 ,可以明确车轴用钢在疲劳破坏过程 的裂纹萌生和扩展的内在原因和规律 . 材料疲劳极限反映了材料抵抗裂纹萌生的能 力 ,而裂纹扩展速率则反映了材料抵抗裂纹扩展的 能力 .本文通过对 20M n2 和 XCQ16 两种车轴用无 缝钢管进行疲劳极限和裂纹扩展速率实验, 利用 SEM 对其疲劳断口和裂纹扩展断口进行宏观和局 部微细观察和分析, 研究其疲劳失效过程中的裂纹 第 31 卷 第 8 期 2009 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.8 Aug.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.08.018