8Cr4Mo4V轴承钢微观裂纹萌生与扩展机制的分子动力学模拟

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2025.10.003

中国机械工程 ›› 2025, Vol. 36 ›› Issue (10): 2179-2189.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.10.003

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8Cr4Mo4V轴承钢微观裂纹萌生与扩展机制的分子动力学模拟

马天宇¹^,²(), 巩固¹^,², 曹宏瑞¹^,²(), 史江海¹^,², 尉询楷³, 章立军⁴

^1.西安交通大学航空动力系统与等离子体技术全国重点实验室, 西安, 710049
^2.西安交通大学机械工程学院, 西安, 710049
^3.北京航空工程技术研究中心, 北京, 100076
^4.北京科技大学国家材料服役安全科学中心, 北京, 100083

收稿日期:2024-09-29 出版日期:2025-10-25 发布日期:2025-11-05
通讯作者: 曹宏瑞
作者简介:马天宇，男，1996年生，博士研究生。研究方向为航空发动机轴承微观损伤机理。E-mail：matianyu@stu.xjtu.edu.cn
曹宏瑞^*（通信作者），男，1982年生，教授、博士研究生导师。研究方向为航空发动机全生命周期数字孪生建模、非平稳信号处理与运行状态智能监控技术。E-mail：chr@mail.xjtu.edu.cn。
基金资助:
国家科技重大专项(J2019-IV-0004-0071);材料服役安全研究评价设施开放项目(MSAF-2023-004)

Molecular Dynamics Simulation of Microscopic Crack Initiation and Extension Mechanism in 8Cr4Mo4V Bearing Steels

Tianyu MA¹^,²(), Gu GONG¹^,², Hongrui CAO¹^,²(), Jianghai SHI¹^,², Xunkai WEI³, Lijun ZHANG⁴

^1.National Key Lab of Aerospace Power System and Plasma Technology，Xi'an Jiaotong University，Xi'an，710049
^2.School of Mechanical Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an，710049
^3.Beijing Aeronautical Engineering Technical Research Center，Beijing，100076
^4.National Center for Materials Service Safety，University of Science and Technology Beijing，Beijing，100083

Received:2024-09-29 Online:2025-10-25 Published:2025-11-05
Contact: Hongrui CAO

摘要/Abstract

摘要：

为研究8Cr4Mo4V轴承钢中渗碳体对基体力学性能及微裂纹萌生与扩展的影响，采用分子动力学方法系统分析了渗碳体的几何参数（如形状、尺寸、位置）对裂纹萌生和扩展的影响机制，并结合内聚力理论研究了界面裂纹扩展特性。研究结果表明：渗碳体显著提高了bcc-Fe基体的力学性能，渗碳体尺寸越小，它对基体力学性能的增强效果越显著；渗碳体的形状和位置对力学性能影响较小，但尖锐的夹杂加速了裂纹扩展，且夹杂的位置决定了裂纹的扩展路径；在bcc-Fe基体与渗碳体间的界面和错向角较大的孪晶界面，裂纹更难萌生。

关键词: 8Cr4Mo4V轴承钢, 渗碳体, 分子动力学, 裂纹扩展, 内聚力参数

Abstract:

To investigate the influences of cementite on the mechanics properties of the matrix and the initiation and propagation of microcracks in 8Cr4Mo4V bearing steels， molecular dynamics models were used to systematically analyze the effects of cementite's geometric parameters （such as shape， size， and position） on crack initiation and extension mechanism. And combined with cohesive force theory， the characteristics of interface crack propagation were studied. The results indicate that cementite significantly enhances the mechanics properties of the bcc-Fe matrix， with smaller cementite particles providing a more pronounced strengthening effectiveness. While the shape and position of cementite exert a relatively minor impact on overall mechanics performance， sharper inclusions accelerate crack propagation， and the position of inclusions determines the crack propagation path. Furthermore， interfaces between the bcc-Fe matrix and cementite， as well as twin boundaries with larger misorientation angles， exhibit increased resistance to crack initiation and propagation.

Key words: 8Cr4Mo4V bearing steel, cementite, molecular dynamics, crack extension, cohesive parameter

中图分类号:

V252.1

马天宇, 巩固, 曹宏瑞, 史江海, 尉询楷, 章立军. 8Cr4Mo4V轴承钢微观裂纹萌生与扩展机制的分子动力学模拟[J]. 中国机械工程, 2025, 36(10): 2179-2189.

Tianyu MA, Gu GONG, Hongrui CAO, Jianghai SHI, Xunkai WEI, Lijun ZHANG. Molecular Dynamics Simulation of Microscopic Crack Initiation and Extension Mechanism in 8Cr4Mo4V Bearing Steels[J]. China Mechanical Engineering, 2025, 36(10): 2179-2189.

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图/表 21

图1 8Cr4Mo4V轴承钢材料的拉伸模型

Fig.1 Tensile model of 8Cr4Mo4V bearing steel material

表1 bcc-Fe弹性常数计算与实验值比较

Tab.1 Comparison of bcc-Fe elastic constant calculation and experimental values

弹性常数	势函数计算值/GPa	实验值^［19］/GPa	相对误差
C₁₁	244.3	230.0	6.2%
C₁₂	145.3	135.0	7.6%
C₄₄	116.3	117.0	$-$ 0.60%

表1 bcc-Fe弹性常数计算与实验值比较

Tab.1 Comparison of bcc-Fe elastic constant calculation and experimental values

弹性常数	势函数计算值/GPa	实验值^［19］/GPa	相对误差
C₁₁	244.3	230.0	6.2%
C₁₂	145.3	135.0	7.6%
C₄₄	116.3	117.0	$-$ 0.60%

表2 渗碳体弹性常数计算值与DFT值比较

Tab.2 Comparison between calculated elastic constants of cementite and DFT values

弹性常数	势函数计算值/GPa	DFT值^［20］/GPa	相对误差
C₁₁	383.4	388	$-$ 1.2%
C₂₂	349.5	345	1.3%
C₃₃	304.5	322	$-$ 5.4%
C₄₄	45.3	15	$-$
C₅₅	125.8	134	$-$ 6.1%
C₆₆	118.6	134	$-$ 11.5%
C₁₂	129.0	156	$-$ 17.3%
C₁₃	155.1	164	$-$ 5.4%
C₂₃	156.2	162	$-$ 3.6%

表2 渗碳体弹性常数计算值与DFT值比较

Tab.2 Comparison between calculated elastic constants of cementite and DFT values

弹性常数	势函数计算值/GPa	DFT值^［20］/GPa	相对误差
C₁₁	383.4	388	$-$ 1.2%
C₂₂	349.5	345	1.3%
C₃₃	304.5	322	$-$ 5.4%
C₄₄	45.3	15	$-$
C₅₅	125.8	134	$-$ 6.1%
C₆₆	118.6	134	$-$ 11.5%
C₁₂	129.0	156	$-$ 17.3%
C₁₃	155.1	164	$-$ 5.4%
C₂₃	156.2	162	$-$ 3.6%

图2 边裂纹bcc-Fe基体模型应力-应变曲线

Fig.2 Stress strain curve of bcc-Fe matrix model with crack at edge

图3 边裂纹bcc-Fe基体模型构型演变和应力云图

Fig.3 Configuration evolution and stress cloud map of bcc-Fe matrix model with crack at edge

图4 4种含渗碳体夹杂模型应力-应变曲线

Fig.4 Stress strain curves of four models containing carbide inclusions

图5 4种含渗碳体夹杂模型的构型演变和应力云图

Fig.5 Configuration evolution diagrams and strain cloud maps of four models containing carbide inclusions

图6 4种模型在孔洞或微裂纹萌生时的原子应力云图

Fig.6 Atomic stress cloud maps of four models during the initiation of pores or microcracks

图7 晶格转变示意图

Fig.7 Schematic diagram of lattice transformation

图8 5个模型的应力-应变曲线对比

Fig.8 Comparison of stress-strain curves for five models

图9 不同大小渗碳体夹杂模型的应力-应变曲线

Fig.9 Stress strain curves of carbide inclusion models of different sizes

图10 不同大小夹杂模型在夹杂区域出现孔洞时的构型演变

Fig.10 Configuration evolution of inclusion models with different sizes when voids appear in the inclusion area

图11 不同位置渗碳体模型应力-应变曲线

Fig.11 Stress strain curves of cementite models at different positions

图12 不同位置模型在裂纹扩展时的构型演变

Fig.12 Configuration evolution of different position models during crack propagation

图13 三种双晶模型在裂纹扩展时的构型演变

Fig.13 Configuration evolution of three twin crystal models during crack propagation

图14 3种双晶模型在裂纹扩展时的平均原子拉伸应力分布

Fig.14 Average atomic tensile stress distribution of three twin crystal models during crack propagation

图15 内聚力-位移曲线

Fig.15 Cohesion-displacement curve

图16 3种双晶模型的内聚力-位移曲线

Fig.16 Cohesion-displacement curves of three twin crystal models

表3 3种双晶模型的内聚力参数

Tab.3 Cohesive parameters of three twin crystal models

模型

损伤应力/

GPa

损伤位移/

临界断裂能/

（N·m^-1）

初始损伤刚度/

（N·μm^-3）

图17 不同孪晶晶界错向角模型的内聚力-位移曲线

Fig.17 Cohesion-displacement curves of different twin grain boundary misorientation angle models

表4 不同孪晶晶界错向角模型的内聚区参数

Tab.4 Cohesive parameters of three twin crystal models

晶界错向角 α/（°）	损伤应力 T_max/GPa	临界断裂能 G_IC/（N·m^-1）
10	10.3133	6.464
15	10.3974	9.632
20	9.258 55	8.299
25	10.4863	9.100
30	10.2065	9.384
35	11.0262	9.914
40	11.5953	10.851

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8Cr4Mo4V轴承钢微观裂纹萌生与扩展机制的分子动力学模拟

Molecular Dynamics Simulation of Microscopic Crack Initiation and Extension Mechanism in 8Cr4Mo4V Bearing Steels

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Metrics

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