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20CrMo钢中的Cottrell气团及其对初始屈服抗力和疲劳门槛值的影响

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20CrMo钢中的Cottrell气团及其对初始屈服抗力和疲劳门槛值的影响 8{ 一 j 第32卷 第 8期 】9 9 6 年 8 月 金 属 学 报 ^CTA M ETALLURG lCA Sl lCA T V[1_ 32 NO 8 AtlgtlS1.1 9 9 6 20CrMo钢中的 Cottrell气团及其 对初始屈服抗力和疲劳门槛值的影响 骆 竞唏 全 明 信 (西安交通大学金属 甭 葡五耍 至_西安71 0049) ‘ L. , 要 20CrMo钢淬火后. 600.450 l 200℃ 火 .可以得到 上 埘 点 役有 1 同服 点 }!有屈服 台厦...
20CrMo钢中的Cottrell气团及其对初始屈服抗力和疲劳门槛值的影响
8{ 一 j 第32卷 第 8期 】9 9 6 年 8 月 金 属 学 报 ^CTA M ETALLURG lCA Sl lCA T V[1_ 32 NO 8 AtlgtlS1.1 9 9 6 20CrMo钢中的 Cottrell气团及其 对初始屈服抗力和疲劳门槛值的影响 骆 竞唏 全 明 信 (西安交通大学金属 甭 葡五耍 至_西安71 0049) ‘ L. , 要 20CrMo钢淬火后. 600.450 l 200℃ 火 .可以得到 上 埘 点 役有 1 同服 点 }!有屈服 台厦收有物理屈服现象等 3种胭服曲线 车文通过埘此 3种村掌斗施以不 倾变膨 研究 r Coltrel[气团对初始 眼抗力 0和疲劳f J盛情 A丘h的鼯唰 研究发现 :扯低温川火状忠 F,没有物理周眼厦豪,仍然存在 Cottre1]气H1,但间隙蛳 _f在位 f.的铂扎作用卜匕中 高温 火 的曼蜗 在间隙原 于脱钉及 Cottr~]l t团消生的I 时 弱 AKlh都^幅度下降 衰验结果 叫. A 和 之 存在着良好的线性关最 关键词 Cottre1]气团 初始周服抗力,疲劳1l楹伉 20C rMo钠 在连续屈服材料中不出现物理屈服现象,一般认为不是因为钢 中 存在 Cottre11气团,而 是因为淬火,低温回火材料的位错密度较高,位错间的交互作用强烈,而且存在着细小的碳化 物 ,加工 硬化效果掩盖 了屈服平台 的出现 但 至今未见到在淬 火.低温 回火钢 中也存在 Cottrell气团的实验证据. 有关疲劳门槛值 △墨h与屈服抗力的关系,文献中已有相当多的报道 但不同的研究者却 得出不同的甚至完垒相反的结论 这除去与各研究者使用的材料、热处理工艺及试验不 同有关外,可能与使用屈服抗力 。:有关 因为 O- 只代表残余塑性变形等于 0.2%时的 应力,其本身并没有明确的物理意义. 本文研究了 20CrMo钢淬火并在高、中.低温回火后,间隙原子的脱钉情况和脱钉前后初 始屈服抗力与疲劳门槛值的关系. 1 试 验 方 法 20CrMo钢在 880℃保温 10min,分别于 600,450和 200℃同火 1 h. 材料微屈服抗力 O-⋯ 的测定是采用工作直径为 10 mm 的 5倍试样,在 INSTRON 1342电液伺服试验机上进行 以 1 mm/min的托伸速率,将试样拉到预先设定的预变形量 ep,卸载到 0,再用伸长放大倍数为 1000的倍率,绘制载荷一伸长曲线,用作图法求出原始态和 不同预变形量试样的微屈服抗力 ⋯ 中国石油天然 气息公司资助项 目 牧到初稿 日期 :1995一IO-20 收到修改稿 口期 :I996 2-I)2 车文通讯联系 人:骆竞唏,西安(710049)西安交通^学金属材抖强度日家重点宾验章 维普资讯 http://www.cqvip.com 8期 骆竞嗡等:20CrMo钢巾的 Cottrell t闭及其对名Ⅱ始周服抗力和疲劳f]监值 的影响 835 经不同量预变形后疲劳门褴值 △墨 的测定,采用最终截面尺寸为 12 5 mm×25.0 mm 的 三点弯 曲试样 试样的原始尺寸,根据最终截面尺寸和预先设定的预变形变量计算 原始试样 在 WE一60万能试验机上拉伸预变形 当试样截面最小尺寸达到 l2.5 mm时 ,停机卸载,在侧 面用线切割开 一条 0.15 mm 宽的细缝.在 Amsler高频疲劳试验机上预制裂纹,同时,用降载 法l蒯定疲劳门镒值 △墨h.以运转 lO 周次、裂纹扩展量币超过 0.叭 mm 作为 条件疲劳门槛值 {,, l 0 此时的裂纹扩展速率 ≤10 In/cyc. 2 试验结果及分析 图 1为 20CrMo钢的屈服 曲线 对于有物理屈服现象的材料,屈服平台可以认为是材料 的初始屈服抗力 对于没有物理屈服现象的连续屈服材料,工程 使用残余塑性变形为 O.2% 的应力 O-0,作为屈服强度.能够反映材料初始屈服抗力的,虚是残余塑性变形量趋近予 0时的 应力,也就是材料的弹性极限.由于残余变形等下 0的应力无法测到,本文用残余变形等。二 0.00(%时的应力 描述初始屈服抗力 O- 2.1 预应变量 对材料初始屈服抗力 o0的影响 21.1 使 O-0太幅度下降的临界应变(e ) 由图 2可以看出,不管是 600 450还是 200℃ 回火 的 20CrMo钢 ,在 £ 为 0.2%一 0.3%时 ,O- .i都 只有 少量 F降;当 £ 大于此值 以后、 都发生较大幅度地下降.显然,O.2% 0.3%这个预应变值、是使 O-0大幅度下降的临界应 变(用 £ 表示).e 的出现,可能有两种原因:(IJ如果钢中位错处于强钉扎状态,而且,位错脱钉 所需的应 力大于由位错在 晶界积塞产生的应力集中使附近品粒新 的位错源开动所 需的应 力 ,£ 则是形成足够应力集中井使附近品粘位错源开动的临界应变:(2)如果位错脱钉所 囤 1 20CrMo钢淬火后在200、450和600℃ 火时 的屈服曲线 Fig.i Yielding curves.of steel 20CrM o tempered at 200,450 and 600℃ after quenching _1 二 图 2 20CrMo钢淬火后在200.450和600℃同火肘 微凰服抗力 j预麻变的关系 Fig 2 M icro—yielding stress v prestrain for steel 20CrM o tempered at 200,450 and 600 ℃ after quenching 维普资讯 http://www.cqvip.com 金 属 学 报 需的应力低于使附近晶粒开动新的位错源的应力, 则是使大量位错脱钉时所需的临界应变 这两个过程 一般是相辅相成的,更可能是两者同时存在 但无论什么原因, 开始人幅度下 降 ,都需要一个临界应变 e .£.的存在,对有物理届服现象的中 高温 回火材料是很容易理解 的,在没有物理届服现象的低温同火材料中,也存在 一个使 %开始大幅度下降的临界应变,而 且低温 回火材料中的 与巾,高温回火材料 又基本相同,选将成为存没有物理屈服现象的低 温 回火材料中也存在 Cottrell气团的实验证据. 2.1.2 低温回火钢中问隙原子钉扎作用强弱的估计 根据碳在 0|_Fe中的溶解度极限 可以算出,在 平衡态 F,。--Fe中溶解的碳原 总数都形成饱和气团(位错线 卜每个铁原了都吸 附一个碳原子,没有位错的地方没有碳原子)所剥应的位错密度是 10“ cm/cm .I 淬火后低 温 回火材料的位错密度可达 10 cm/CI]I 庀右,溶解的碳原 子数少于位错线上铁原 了的总 数 ,在平衡态下,即使所有溶解的碳原子都被位错线 的铁原子吸附,也不可能形成饱和气团, 降低 了间隙原子对位 错钉扎作用 的强度 m图 2可以发现 两个事 实:(I)200℃ 同火的 20CrMO钢 ,原始态的 %m『较低,甚至比 450℃回火的还低:(2)当 £ > 时,200℃回火的 ∞ 下降幅度较 450℃同火的小.这两个事实表明:在低温同火态,间隙原子的钉扎作用不如 中、高温 回火态的强烈 2.1.3 >£ 时.随 增加, l¨_l基本保持恒定的原因 在形变硬化的第一阶段.钢中 基体只有位错缠结或网络化的地区;在形变硬化第二阶段,有形成位错胞的地区,经预变形后. 仍存在位错缠结和网络化的地区,此地区的位错 已救有碳原 于的钉扎,所以位错启动所需 的应力较低,而且相等(2,33当 £ >£ 后,%大幅度下降,I而且保持一个基恒定的值. 2.2 疲劳门槛值 △ 与初始屈服抗力 O-0的关系 20CrMo钢淬火后在不同温度回火时的 △Kh j{: 的关系见图 3.按 △Kh和 o- 00]的关系 重新整理 图 2,3的数据,可以得到同 4的结果.网 4中同时绘八了正火 35钢 AK.h与 的 关系” .材料的 △ % 之间都呈线性关系 △ 是交变应力作川 F裂纹不扩展 的最火『 .% 图 3 20CrMo钢淬火后在200,450和600℃回火时 疲劳门槛值与预麻变的关系 Fig.3 Fatigue flareshold value ,prestrain for steel 20CrM o tempered at 200 450 and 600 ℃ after quenching MPa 图 4 20CrMo钢癍劳门槛值与撒屈服抗力的关系 Fig.4 Fatigue threshold value VS micro- yielding stress for steel 20CrM o ● 帅1 0 a0 00I ④ 0 0。1 a0 5 一 . ~墨 1= 蔗 维普资讯 http://www.cqvip.com 8期 骆竞唏等:20CrM0钢 中的 Cottrel[ e 及其埘初始同眼抗力和疲劳门槛值的影响 837 力强度因子幅.显然应当与材料的初始屈服抗力 有关 为证实这 ·想法,使经过预变形而且 s >£ 的 600℃回火的部分试样,在 1 50℃绛 8 h的时效.重新形成 Cottrell气团,从图 2,3中 可以看到: 0㈨ 与 AKh都得到 丁相应的川升(见图 2、3中的。点) 3 结 论 (1)20CrMo钢淬火后在 200℃同火,锕中仍存在 Cottrell气团. (2)20CrMo钢淬火后低温回火,问隙原子在伉错 的钉扎作用不如中、高温回火的强烈 (3)疲劳门槛值 AK 与材料的初始坷服抗力 % 线性关系. 本文在撰写过程 中,曾与石德珂先生进行过有益的i’j论,特此致谢 参 考 文 献 l Cottre[I A H The Relation Between the Structure and Mechanical Properties of~letals.2nd ed. London:Her Majesty S Statione~,Office 1963:456 2 Luo Jingxi,Tan Yuxu Acta Metaft Sin(Eng Lett}.1995;8 195 3 Luo Jingxi,Tan Yuxu Acta 3'leta[t Sin(Eng Len),to be published 附 录 A — Fe中溶解的碳原予,在刃型位错 围可以形成 Cottre[I气出,使材料产生物理届服现象 ^”.在螺型位 错周围可以形成 Snoek气团.虽然 Snoek气团对物理屈服现象不产生影响 但螺位错与碳原于的交互作用 与 刃位错一样强烈,同样会吸附间隙原于 A3 J.饱和气团的 像是,在位 线 J:的每个铁原予平面 l:都有一个 碳原子,气团的半径约为 l rim 在饱含气团以外地区,碳原子 的含量遵循 Maxwell—Boltzmann分布. 假设不管是刃位错还是螺位错 ,都形成饱和气磷,即位错线 }:的每个铁原子都吸附一个碳原子,而在无位 错线的理想 晶格区,没有任何碳原 (即不符合 Maxwell—BolLzmann分布)的极端 条件 r,溶解在 一R 中的 碳原子总数 jv(等 r在位错线 卜铁原 的总数 在 1 cm、的 Fe中,室温 碳原f的总数为 Nc= ·pFe N^/A r=3.9× 10。 其中.Ⅸ为室温 F碳在 一Fe中的溶解度极 限.其质量分数为 O 001‰ pF 为 Fe的密度;N 为^ Avogadro常 数;A 为碳的相对原于质量. 在 1 cm长的位错线 f:铁原于的 数 为 4 03×10 (铁原 产的直径为 0 2866 rim),则在 Fe中所有溶 解 的碳原子都形成饱和气 团所 允 午的最大位错 街度 p=Nc/Ⅳ 10 c:m/cm .即在平衡态下,室温时在 Ⅸ一Fe中溶解 的碳原 受位错张应 力的吸引,在位t昔附近形成气团,即使在无位错 的理想晶格区一个碳原子也 不保留,能满足所有位错都形成饱和气团的最高位错密度是 10 c:m/cm 维普资讯 http://www.cqvip.com 838 金 属 学 报 32卷 参 考 文 献 A I Cottrell A H The Relation Belwee~the Slrucfur(,and M echanical Properties M eta~ 2nd ed London:Her Majesty S Statione~'Office [963:456 A2 Snook J L P l^’siea,I 941:8:7lI A3 Snock G .Seeger A Acta M etalL l959;7:469 EFFECTS 0F C0TTRELL ATM 0SPHERE 0N INITIAL YIELD STRESS AND FATIGUE THRESHoLD 0F STEEL 20CrM 0 LUO Jingxi,TONG Mingxin~State Key Laboratory for Mechanical Behaviour of M aterials. all Jiaotong University Xi atl 7100491 (M anuscript received 1995—10—20.in revised form 1996—02-021 ABSTRACT There are three types of yielding cura/es for steel 20CrM o tempered at 600,450 and 200℃ after quanching.in which the first has upper and lower yield point,the second has yielding plateau but no upper yield point and the third is a continuous yielding This paper studied the effects of Cottrell atmosphere on initial yield stress O-0(o-o Do1)and fatigue thresh— old value△K .The results show that,the Cottrell atmosphere still exists in the continuous yielding materials tem pered at low tem perature,yet the pinning strength of interstitial atoms on dislocations jS weeker than that of the m aterials tempered at m iddle or high temperature Both of o-0 and AK,h is dropped greatly when depinning of interstitial atoms takes place . There is a good linear relation between AK,h and o-0 KEY W ORDS Cottrell atmosphere, initial yield stress,fatigue threshold value,steel 20CrM 0 Correspondent:LUO Jingxi,Slate Key LaboratoO,Jot Mechanical Behaviour Materials Xi Jiaotong University.Xi'an 710049 维普资讯 http://www.cqvip.com
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