60Si2Mn钢热机械损伤行为研究

论文摘要

本文利用RD-50蠕变试验机和热机械循环设备测试了中温回火态60Si2Mn钢在100℃、150℃、200℃、300℃、400℃时的拉伸性能和蠕变规律,以及温度范围为100400℃和-50250℃的热机械载荷作用下的变形行为,并利用光学显微镜、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）观察分析了该合金在不同热机械载荷作用前后的组织和试样断口形貌。利用Marc2003软件对60Si2Mn钢制锁钩在热机械载荷作用下的应力应变分布进行了有限元分析。拉伸试验结果表明,随拉伸温度的升高,60Si2Mn钢的抗拉强度和屈服强度降低,塑性增加,400℃时与室温相比,合金的屈服极限由1374MPa降为1036MPa,下降了24.6%,而延伸率由9.5%上升到23.4%,增加幅度近150%。而随温度升高,试样断口呈现更明显的韧性断裂特征。蠕变试验结果表明,60Si2Mn钢在100300℃的蠕变曲线均呈现典型蠕变特点,而在400℃蠕变时,其第一、二阶段不明显,很快进入第三阶段导致断裂。采用幂函数式的Norton公式作为稳速阶段的蠕变率,得到各温度下应力指数分别为:100℃,2.312;150℃,2.179;200℃,2.401;300℃,2.921;400℃,1.089。可见,100300℃的蠕变机制主要为位错粘滞滑移,400℃下为扩散型。TEM观察的位错形态与此机制相吻合。蠕变断裂试样的断口存在明显的颈缩,由韧窝和平直撕裂棱组成,呈现延性沿晶断裂特征。经100次温度范围为100400℃的热机械循环试验发现,热机械循环损伤要比单一温度和载荷下等效蠕变损伤严重,循环过程中,材料的应力-应变曲线呈现不闭合的迟滞回线状态,应变逐渐累积;而经温度范围为-50250℃的热机械循环试验时,材料的应变损伤速率极小。60Si2Mn钢制锁钩的有限元应力应变分析结果表明,锁钩弯角处应力集中程度最大,该处截面（对应124134节点）上节点130受到最大的等效应力,为锁钩失效的薄弱点;节点130的应力-应变曲线也呈不闭合迟滞回线状态,应变逐渐累积,与材料试验规律一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 60Si2Mn弹簧钢的性质及应用
• 1.3 金属材料的热机械性能研究
• 1.3.1 金属材料的高温拉伸性能研究
• 1.3.2 金属材料的蠕变研究
• 1.3.3 金属材料的热机械循环研究及棘轮效应
• 1.4 本课题主要研究内容
• 第2章 试验材料及试验方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 热处理工艺
• 2.3 试样的加工
• 2.4 60Si2Mn钢的拉伸试验
• 2.5 蠕变及热机械循环试验
• 2.5.1 蠕变试验
• 2.5.2 热机械循环试验
• 2.6 60Si2Mn钢制锁钩应力应变分布有限元模型
• 2.7 60Si2Mn钢的硬度测试及组织结构分析
• 2.7.1 硬度测试
• 2.7.2 金相组织观察
• 2.7.3 扫描电子显微组织观察
• 2.7.4 透射电子显微组织观察
• 第3章 60Si2Mn钢的机械性能与组织
• 3.1 引言
• 3.2 热处理前后60Si2Mn钢的机械性能与组织
• 3.2.1 回火温度对60Si2Mn钢机械性能的影响
• 3.2.2 热处理前后60Si2Mn钢室温拉伸性能
• 3.2.3 热处理前后60Si2Mn钢显微组织
• 3.3 60Si2Mn钢在不同温度下的拉伸性能
• 3.4 60Si2Mn钢在不同温度下的拉伸断口分析
• 3.4.1 宏观断口分析
• 3.4.2 微观断口分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 60Si2Mn钢的蠕变研究
• 4.1 60Si2Mn钢的蠕变曲线
• 4.2 稳态蠕变速率的计算
• 4.3 60Si2Mn钢的蠕变组织特征
• 4.4 60Si2Mn钢的蠕变断裂特征
• 4.5 本章小结
• 第5章 热机械循环对60Si2Mn钢拉伸性能的影响
• 5.1 60Si2Mn钢的热机械循环曲线及特性分析
• 5.1.1 热机械循环应变损伤特性
• 5.1.2 循环应力-应变曲线
• 5.1.3 棘轮安定饱和状态
• 5.2 热机械循环对60Si2Mn钢常温拉伸性能的影响
• 5.2.1 拉伸应力-应变曲线比较
• 5.2.2 热机械循环后的拉伸试样断口形貌
• 5.3 60Si2Mn钢制锁钩应力应变分布的有限元分析
• 5.3.1 60Si2Mn钢制锁钩等效应力的分布
• 5.3.2 循环应力-应变曲线
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢