Page 33 - 理化检验-物理分册2024年第十一期

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试验与研究 DOI:10.11973/lhjy-wl230321

碳元素含量对钢锻件疲劳性能的影响

郑 程 ，陆连萍 2
1
（1.上海材料研究所有限公司 上海市工程材料应用与评价重点实验室，上海 200437；2.上海电气核电设备有限公司,
上海 201306）

摘 要：对不同碳元素含量的钢锻件进行疲劳试验，研究了碳元素含量对钢锻件疲劳性能的影响，
并对其断裂机制和强化机制进行分析。结果表明：随着碳元素含量的增加，材料的疲劳强度逐渐增大；
在相同应变水平下，碳元素质量分数为0.3%的试样疲劳寿命最长； 试样表面的几何缺陷或非金属夹
杂处萌生微裂纹，并在条状物区域平稳扩展，最终试样在快速剪切中迅速断裂；经高温回火后，材料
中过饱和的碳元素几乎全部以碳化物的形式析出，以固溶强化的形式提高了其疲劳性能。
关键词： 碳元素含量；疲劳强度；疲劳寿命；碳化物；强化机制
中图分类号：TB31；TG115.5；TG142.41 文献标志码：A 文章编号：1001-4012(2024)11-0017-05

The effect of carbon element content on the fatigue properties of steel forgings

ZHENG Cheng , LU Lianping 2
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(1. Shanghai Key Laboratory for Engineering Materials Application and Evaluation, Shanghai Research Institute of Materials Co.,
Ltd., Shanghai 200437, China; 2. Shanghai Electric Nuclear Power Equipment Co., Ltd., Shanghai 210306, China)
Abstract: Fatigue tests were conducted on steel forgings with different carbon element contents to investigate
the effect of carbon element content on the fatigue performance of steel forgings, and to analyze their fracture and
strengthening mechanisms. The results show that as the carbon content increased, the fatigue strength of materials
gradually increased. At the same strain level, the sample with a carbon element mass fraction of 0.3% had the longest
fatigue life. Microcracks originated from geometric defects or non-metallic inclusions on the surface of the specimen,
and propagated smoothly in the strip-shaped area. The specimen eventually fractured rapidly in rapid shear. After high-
temperature tempering, almost all supersaturated carbon elements in the material precipitated in the form of carbides,
which improved its fatigue performance in the form of solid solution strengthening.
Keywords: carbon element content; fatigue strength; fatigue life; carbide; strengthening mechanism

材料的疲劳强度与抗拉强度在一定条件下存在 碳元素含量下材料的疲劳强度、疲劳寿命，得到了碳
着较密切的关系。在其他合金元素种类和含量基本 元素含量对材料疲劳性能的影响规律，为类似材料
一致的条件下，碳元素含量是影响材料强度的最主 的工程应用提供参考依据。
[4]
要因素 [1-3] 。李宏等 研究了珠光体含量对球墨铸铁
1 试样制备与试验方法
疲劳性能的影响，球墨铸铁中珠光体含量越高,其
疲劳寿命越长。崔玉珍 通过接触疲劳、弯曲疲劳 1.1 试样制备
[5]
以及多次冲击试验,研究了渗碳层表面碳元素含量 选取碳元素质量分数分别为0.2%，0.3%，0.4%
对20CrMnTi钢疲劳性能的影响， 然而针对碳元素含 的钢板，分别编号为试样1，2，3。在整板厚度的1/4
量对材料疲劳强度影响机制的研究仍较少。笔者对 位置取样，高周疲劳试样尺寸如图1所示，低周疲劳
3种不同碳元素含量的材料进行疲劳试验，获得不同 试样尺寸如图2所示。均采用纵向磨抛工艺去除疲

劳试样环向加工痕迹，在20倍放大倍率下检查，应
收稿日期：2023-11-05
无环向加工痕迹或其他磕碰伤。用粗糙度测量仪测
作者简介：郑 程（1988-） ，男，本科，高级工程师，主要从事金
属材料力学性能的研究工作，373888368@qq.com 量工作段的粗糙度，结果均不大于0.2 μm。
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