循環(huán)載荷應力比對微動疲勞特性的影響

蘇 彬,邢海軍,趙穎娣,俞新宇,孫偉明,

(1.浙江工業(yè)大學 機械工程學院,浙江 杭州 310032;2.浙江工業(yè)大學 軍工裝備技術研究院,浙江 杭州 310032)

微動疲勞是指構件在有微動磨損時的疲勞強度和疲勞壽命問題.微動磨損是指兩個構件在接觸表面上因有很小的、反復的相對滑動,造成對構件表面的機械損傷[1].微動疲勞廣泛存在于各類工程機械和結構中,是一些關鍵零部件失效的主要原因,因此研究微動疲勞機理具有重要意義.先前的學者從微動滑移幅、接觸壓力、循環(huán)應力、載荷頻率、環(huán)境介質等多方面作了大量的研究[2-6].在軸向循環(huán)載荷的研究方面,大部分集中在應力比為零的情況,而對于循環(huán)載荷應力比對微動疲勞特性影響的研究卻還很少.筆者通過實驗以柱面—平面接觸形式研究了循環(huán)載荷應力比對45號鋼微動疲勞特性的影響,確定了各應力比循環(huán)載荷下應力幅對微動疲勞壽命的影響,并對裂紋位置及斷裂特征作了分析.

1 實驗條件與方法

實驗試樣采用45號鋼棒材制成,調質處理,屈服強度和抗拉強度分別為378 MPa和637 MPa.其主要力學性能如表1所示.

表1 實驗用45號鋼常規(guī)力學性能Table 1 Conventional mechanics characteristics of 45 carbon steel in the experiment

實驗試樣與微動橋結構尺寸如圖1所示.根據(jù)實驗所需,實驗試樣標距處加工成兩個長為48 mm,寬為6 mm的對稱平面.微動橋采用同種材料45號鋼,橋腳接觸面加工成半徑50 mm的圓柱面,寬度為7 mm,略大于試樣標距處平面寬度.

圖1 微動疲勞試樣與微動橋結構尺寸Fig.1 Dimensions of fretting fatigue specimen and fretting pads

圖2為微動模型示意圖,兩個微動橋通過一定的垂直載荷P對稱的夾在試樣兩側平面上,形成柱面—平面接觸.試樣軸向加載循環(huán)載荷S,使之產(chǎn)生彈性伸長與恢復,從而在微動橋橋腳與試樣之間產(chǎn)生微動作用.

圖2 微動模型示意圖Fig.2 Configuration of fretting model

柱面—平面接觸形式可用Hertz接觸理論描述其接觸狀況,因此也是近些年來微動疲勞研究采用的主要接觸形式[7].

試驗裝配結構如圖3所示.微動橋上的垂直載荷P由加載螺釘通過環(huán)形加載鋼圈施加.微動橋橋體下表面中央貼應變片,從而通過測量其應變值來定量控制垂直載荷P的大小,實驗前標定垂直載荷P與應變片應變值的關系.

圖3 微動疲勞試驗裝配結構實圖Fig.3 Assembling structure of fretting fatigue test

微動疲勞試驗在島津微機控制電液伺服靜動態(tài)材料試驗機EHFED250-40L上完成.微動橋上的垂直載荷P為2 000 N,根據(jù) Hertz接觸理論,有

式中:Pmax為最大接觸應力,MPa;E為彈性模量,E=2.1×105MPa;v為泊松比,v=0.3;PL為單位長度垂直載荷,PL=2 000/(2×6)=166.667 N/mm;R為微動橋橋腳圓柱面半徑,R=50 mm;B為接觸寬度,mm.

由式(1,2)求得接觸中心最大接觸應力為349.9 MPa,接觸寬度為0.606 4 mm.

試樣軸向加載正弦波循環(huán)拉載荷,頻率2 Hz,室溫條件.分三組軸向循環(huán)載荷:第一組,最大、最小軸向拉應力分別為(390 MPa,0 MPa),(360 MPa,0 MPa),(330 MPa,0 MPa),(300 MPa,0 MPa),(270 MPa,0 MPa);第二組,最大、最小軸向拉應力分別為(420 MPa,105 MPa),(390 MPa,97.5 MPa),(360 MPa,90 MPa),(330 MPa,82.5MPa),(300 MPa,75 MPa);第三組,最大、最小軸向拉應力分別為(560 MPa,280 MPa),(500 MPa,250 MPa),(460 MPa,230 MPa),(420MPa,210MPa),(370 MPa,185 MPa).形成應力比分別為 0.00,0.25,0.50的三組軸向循環(huán)載荷.

2 實驗結果與討論

在試樣與微動橋橋腳接觸區(qū)域存在明顯的磨痕,并堆積有大量紅褐色磨屑,主要是氧化鐵成分.磨痕寬度遠大于由Hertz接觸理論計算出的接觸寬度,主要是因為微動橋橋腳與試樣之間存在滑動磨損作用.

在垂直載荷 P=2 000 N(峰值接觸壓力為349.9 MPa,接觸寬度為0.606 4 mm),三組應力比分別為0.00,0.25,0.50的軸向循環(huán)載荷下,得到如圖4所示的各應力比下軸向循環(huán)載荷應力幅S與微動疲勞斷裂循環(huán)次數(shù)N之間的關系曲線.

圖4 不同應力比軸向循環(huán)載荷下微動疲勞的S—N曲線Fig.4 The S—N curves of fretting fatigue at different axial cyclic loading stress ratio

從圖4可以看出,軸向循環(huán)載荷應力比大于等于0時,相同軸向循環(huán)載荷應力幅下的微動疲勞壽命,隨著軸向循環(huán)載荷應力比的增大而有所降低.其原因:微動疲勞壽命主要包括兩部分:一是在微動磨損區(qū)裂紋萌生壽命;二是擴展性裂紋的擴展,最終導致試樣斷裂的壽命.而裂紋萌生壽命是微動疲勞壽命的主要部分,占其80%～90%的壽命.微動橋橋腳對試樣產(chǎn)生微動磨損作用,微動磨損使試樣在與微動橋橋腳接觸區(qū)域形成磨痕、蝕坑及材料脫層等應力集中區(qū)域.在較高的接觸應力和交變載荷作用下,會在這些應力集中區(qū)域形成局部塑性區(qū).軸向拉應力會使得在局部塑性區(qū)域產(chǎn)生大應變,從而加速在此區(qū)域萌生微裂紋群,并促進微裂紋群的進一步擴展并融合,形成擴展性裂紋,最終導致試樣的微動疲勞斷裂.在相同循環(huán)載荷應力幅下,軸向循環(huán)載荷拉應力水平隨著循環(huán)載荷應力比的增加而增加.這樣就更利于在局部塑性區(qū)域萌生微裂紋群,導致試樣微動疲勞壽命的降低.因此,對于循環(huán)載荷應力比大于等于0情況下,微動疲勞壽命應考慮其應力比的影響.

圖5所示為微動疲勞斷裂裂紋位置圖,實驗結果表明,大部分試樣是在接近于橋腳中心而又略偏于橋腳外側位置發(fā)生斷裂的.由于接觸區(qū)域微動磨損作用,裂紋主要在此區(qū)域萌生并擴展.接觸壓力在接觸中心最大并在兩側逐漸降低,因此,接觸中心以粘結接觸為主,而在接觸中心兩側以滑動接觸為主,所以,接觸中心兩側微動磨損更嚴重.在接觸壓力和摩擦力的作用下,試樣接觸面上軸向循環(huán)拉應力水平在接觸中心內側會略低于外側的,因此微動疲勞斷裂裂紋位置主要在接近于接觸中心,而又略偏于橋腳外側的位置.

圖5 微動疲勞斷裂裂紋位置Fig.5 The crack loation of fretting fatigue fracture

試樣微動疲勞斷裂斷口邊緣通常伴有尺寸很小的斜面.主要因為裂紋在接觸表面下的擴展不僅有張開型,還有剪切型,而裂紋擴展的第一階段是以剪切型擴展的.

試樣斷口截面上有源于接觸面的裂紋擴展的痕跡.隨著軸向循環(huán)載荷應力比的增大,微動疲勞斷裂斷口截面上裂紋擴展的痕跡更明顯,斷口截面更規(guī)則.主要是因為隨著循環(huán)載荷應力比的增大,微動疲勞斷裂所需的循環(huán)載荷應力幅降低,因此裂紋擴展的速度更慢,裂紋擴展所經(jīng)歷的時間更長.

3 結 論

以柱面—平面接觸形式研究了45號鋼在低頻2 Hz條件下軸向循環(huán)載荷應力比對微動疲勞特性的影響.研究結果表明:在軸向循環(huán)載荷應力比大于等于0時,相同軸向循環(huán)載荷應力幅下的微動疲勞壽命,隨著軸向循環(huán)載荷應力比的增大而有所降低.此橋式柱面—平面接觸形式微動疲勞斷裂裂紋位置都在接近于接觸中心且又略偏于橋腳外側的位置.

[1] 何明鑒.機械構件的微動疲勞[M].北京:國防工業(yè)出版社,1994.

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