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      SUJ2軸承鋼超長壽命疲勞行為研究

      2016-09-02 02:33:58李永德張莉莉賀瑩瑩
      材料工程 2016年8期
      關(guān)鍵詞:永德軸承鋼高強

      李永德,張莉莉,張 沖,賀瑩瑩

      (1 河北工程大學 裝備制造學院,河北 邯鄲 056038;2 達力普石油專用管有限公司 技術(shù)中心,河北 滄州 061000;3 山東省分析測試中心,濟南 250014;4 江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院,江蘇 張家港 215625)

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      SUJ2軸承鋼超長壽命疲勞行為研究

      李永德1,2,張莉莉1,張沖3,賀瑩瑩4

      (1 河北工程大學 裝備制造學院,河北 邯鄲 056038;2 達力普石油專用管有限公司 技術(shù)中心,河北 滄州 061000;3 山東省分析測試中心,濟南 250014;4 江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院,江蘇 張家港 215625)

      超長壽命疲勞;夾雜物;GBF相對尺寸;裂紋擴展

      隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,在飛行器、高速列車、汽車、發(fā)動機、海洋結(jié)構(gòu)、MEMS以及生物醫(yī)學等許多工程應(yīng)用中,材料和結(jié)構(gòu)經(jīng)常面臨著高頻低幅載荷,承受重復載荷次數(shù)可高達千兆周次,因此對構(gòu)件的疲勞設(shè)計壽命要求通常達到108周次以上,有的甚至達到1011周次[1-7]。美國空軍“發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性大綱(Engine Structural Integrity Program,ENSIP)”已經(jīng)增加了條例,規(guī)定“發(fā)動機部件超高周疲勞壽命應(yīng)達到109周次”[8]。因此,有必要對材料在108~1011周次之間的疲勞行為和疲勞機理進行系統(tǒng)的研究,并以此作為這一階段疲勞安全設(shè)計的依據(jù)。通常,將循環(huán)周次超過107周次的疲勞行為稱為超長壽命疲勞(Ultra-Long Life Fatigue,ULF)[9],也稱為超高周疲勞(Very High Cycle Fatigue,VHCF)[10]、千兆周疲勞(Gigacycle Fatigue,GCF)[5]或超高周疲勞(Ultra High Cycle Fatigue,UHCF)[11]。

      對于高強鋼的超長壽命疲勞,裂紋通常從內(nèi)部非金屬夾雜物處萌生,斷口宏觀形貌表現(xiàn)為典型的“魚眼”狀。對于具有較長壽命的樣品 (≥106周次),在“魚眼”內(nèi)部存在一個特殊形貌區(qū)域,Murakami等[12]稱之為光學暗區(qū)(Optically Dark Area,ODA);Shiozawa等[13]稱之為顆粒狀亮面(Granular Bright Facet,GBF),其他學者對這一區(qū)域也有其他不同命名[14-16]。研究表明[17],GBF中的裂紋萌生與擴展壽命在整個超長壽命疲勞中約占90%以上,可見GBF在超長壽命疲勞中起到了關(guān)鍵作用。關(guān)于GBF形成機理的研究,文獻[7,12]中提出了幾個定性的描述模型。但也有一些不同的報道,認為GBF并不是高強鋼超長壽命疲勞的特有形貌,在某些超長壽命疲勞樣品的斷口上,裂紋源夾雜物的周圍并無GBF區(qū)[18];GBF形貌與外加應(yīng)力比和氫濃度有關(guān)[18,19]。

      1 實驗材料及方法

      實驗材料為SUJ2軸承鋼,其化學成分如表1所示。將原始棒材粗加工為標準的拉伸樣品(直徑為φ5mm)和超聲疲勞樣品,并留出一定的加工余量。粗加工后進行熱處理,工藝為:加熱到860℃保溫20min油淬,再經(jīng)180℃回火保溫2h后空冷。熱處理后金相組織為回火馬氏體。超聲疲勞試樣尺寸如圖1所示。實驗前依次用800#,1000#和1200#砂紙對試樣中間部分進行最終研磨拋光處理, 盡量減小表面加工痕跡對實驗的影響。

      表1 SUJ2軸承鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Chemical composition of SUJ2 bearing steel (mass fraction/%)

      圖1 超聲疲勞樣品尺寸Fig.1 Dimension of the sample used in ultrasonic fatigue testing

      疲勞實驗在USF-2000超聲疲勞試驗機上進行,共振頻率為20kHz,共振間歇時間比為150∶150,載荷比R=-1,最大循環(huán)周數(shù)為1×109。實驗時采用壓縮空氣冷卻,實驗環(huán)境為室溫;在WinWDW-300E萬能試驗機上進行拉伸實驗,位移速率為3mm/min;在SUPRA55熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)上進行斷口形貌觀察;用能譜儀(EDS)分析裂紋源區(qū)化學成分。為了分析GBF內(nèi)的裂紋擴展規(guī)律,采用兩步變幅加載技術(shù)(Two-Step Variable Amplitude Loading,TSAL)對樣品加載,然后通過觀察不同初始壽命時斷口上GBF裂紋的尺寸建立GBF裂紋擴展規(guī)律,詳細介紹見文獻[20]。為了與TSAL相區(qū)分將恒幅加載方式記為CAL(constant amplitude loading)。

      2 實驗結(jié)果

      2.1裂紋源區(qū)形貌觀察

      SUJ2軸承鋼的抗拉強度為1745MPa,維氏硬度為7909MPa,采用升降法計算得到疲勞強度為765MPa。本次實驗的裂紋源均為內(nèi)部缺陷,宏觀上呈現(xiàn)為典型的“魚眼”形貌,如圖2所示。用能譜分析裂紋源可知,裂紋源有4種:鈣、鋁和鎂的復合氧化物(Al2O3·(CaO)x·(MgO)y)、 鐵和鉻的合金碳化物((FeCr)xCy)、內(nèi)部基體和TiCN。大部分裂紋源為Al2O3·(CaO)x·(MgO)y,所占比例為82%。圖3為4種裂紋源兩端斷口的微觀形貌。圖3 (a-1),(a-2)中裂紋源為Al2O3·(CaO)x·(MgO)y,可見夾雜物僅出現(xiàn)在一端斷口上,另一端斷口上為夾雜物脫落留下的空洞,表明裂紋從夾雜物與基體界面處萌生,導致夾雜物脫落 (斷裂條件:σa=780MPa,Nf=1.76×108)。與圖3(a-1),(a-2)相似,圖3(b-1),(b-2)中TiCN夾雜物也只出現(xiàn)在一端斷口上,另一端斷口上為夾雜物脫落留下的空洞,裂紋萌生機理與鋁復合夾雜物相同 (斷裂條件:σa=740MPa,Nf=5×107未斷,σa=1020MPa,Nf=5.57×104)。可知,TiCN夾雜物形狀類似于正八面體,較尖銳,在夾雜物與基體界面具有較高的應(yīng)力集中。圖3(a-2),(b-2)中,夾雜物的周圍均存在一個特殊形貌區(qū)域,與周圍裂紋擴展形貌有明顯差別,這就是Shiozawa等[13]提到的GBF區(qū)域。對比可知,圖3(b-2)中GBF邊緣比圖3(a-2)的GBF邊緣更加清晰、尖銳,這也證實了TSAL方法可用于分析GBF裂紋擴展規(guī)律。圖3(c-1),(c-2)中兩端斷口裂紋源處均有(FeCr)xCy,表明裂紋萌生是由(FeCr)xCy本身開裂引起的,與Al2O3·(CaO)x·(MgO)y和(FeCr)xCy不同,這與Furuya等[21]報道的實驗現(xiàn)象一致(圖3(c-1),(c-2)樣品的斷裂條件:σa=1020MPa,Nf=2.11×105)。圖3(d-1),3(d-2)中裂紋源處能譜分析均為基體成分,在裂紋源處可見顆粒狀特征的GBF形貌(斷裂條件:σa=1060MPa,Nf=4.35×105)。

      圖2 魚眼形貌Fig.2 Morphology of fish-eye

      圖3 裂紋源區(qū)微觀形貌 (a)鈣鋁鎂復合氧化物;(b)TiCN;(c)鐵鉻合金碳化物;(d)內(nèi)部基體;(1)左端;(2)右端Fig.3 Microscopic morphologies of crack origins (a)composite oxide of Ca,Al and Mg;(b)titanium carbonitride;(c)iron chromium carbide;(d)inner matrix;(1)the left side;(2)the right side

      2.2裂紋源尺寸

      圖4 斷口上夾雜物分布(a)與缺陷尺寸極值統(tǒng)計分布(b)Fig.4 Inclusion distribution at the fracture surface(a) and extreme value statistics for defect size at the fracture origin(b)

      3 分析討論

      (1)

      根據(jù)裂紋擴展速率和裂紋尖端塑性區(qū)尺寸的相互關(guān)系,Yang等[29]提出了GBF尺寸的預測方程,即:

      (2)

      (3)

      (4)

      圖5 GBF相對尺寸與ΔKinc的關(guān)系(a)SUJ2;(b)SUP-QT,SCV-QT和G-QT[25];(c)60Si2CrV,60Si2Cr和60Si2Mn[26];(d)TT150[28]和NSH1[27]Fig.5 Relationship between the relative GBF size and ΔKinc(a)SUJ2;(b)SUP-QT,SCV-QT and G-QT[25];(c)60Si2CrV,60Si2Cr and 60Si2Mn[26];(d)TT150[28] and NSH1[27]

      圖5中不同顏色實線代表了相應(yīng)材料按式(4)擬合的曲線,可見實驗結(jié)果與式(4)能夠較好吻合。在擬合式(4)時,近似采用抗拉強度Rm代替ReL,因為對于高強鋼而言,一般情況下Rm與ReL相差不大,對于某些高強鋼材料甚至沒有屈服現(xiàn)象(如本實驗材料SUJ2)。在上述討論中,實驗材料均采用淬火+回火的高強鋼,沒有考慮氫的影響,實際上氫含量CH對GBF尺寸有顯著影響,因此圖5中實驗結(jié)果與擬合曲線的偏差被認為是由氫造成的。

      圖6 夾雜物尺寸與ΔKinc的關(guān)系Fig.6 Relationship between the inclusion size and ΔKinc

      3.2GBF內(nèi)裂紋擴展規(guī)律

      GBF在高強鋼的超長壽命疲勞中起到了十分關(guān)鍵的作用,因此關(guān)于GBF的形成機理一直是研究的熱點之一[7,12,17,21]。研究表明,GBF相對尺寸與疲勞壽命存在一定的對應(yīng)關(guān)系,即隨著疲勞壽命的增加,GBF相對尺寸增加。根據(jù)實驗結(jié)果前人分別擬合了GBF相對尺寸與疲勞壽命之間的關(guān)系(式(5)[24],(6)[30])。

      (5)

      (6)

      整理式 (6)為

      (7)

      圖7 GBF相對尺寸與疲勞壽命的定量關(guān)系及GBF內(nèi)裂紋擴展規(guī)律(a)不同高強鋼的疲勞壽命與GBF相對尺寸的關(guān)系;(b)相同氫含量時疲勞壽命與GBF相對尺寸的關(guān)系;(c)GBF內(nèi)裂紋擴展規(guī)律;(d)GBF內(nèi)裂紋擴展示意圖Fig.7 Relationship between fatigue life and relative GBF size and the crack growth rule in GBF(a)fatigue life vs relative GBF size for different high strength steels;(b)fatigue life vs relative GBF size for high strength steels with the same hydrogen content;(c)crack growth rule in GBF;(d)illustration of crack growth in GBF

      (8)

      Tanaka等[16,35]認為,GBF中裂紋擴展規(guī)律可以用Paris公式來表征,積分整理后得到:

      (9)

      式中C和m均為材料常數(shù)。整理后得到:

      (10)

      4 結(jié)論

      (1)不同裂紋源處的開裂機理不同,對于復合氧化物和TiCN來說,裂紋從夾雜物與基體界面處萌生,而鐵和鉻的合金碳化物則為夾雜物本身開裂。

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      Ultra-long Life Fatigue Behavior of SUJ2 Bearing Steel

      LI Yong-de1,2,ZHANG Li-li1,ZHANG Chong3,HE Ying-ying4

      (1 Equipment Manufacturing College,Hebei University of Engineering,Handan 056038,Hebei,China;2 Technology R & D Center,Dalipal Pipe Group Co.,Ltd.,Cangzhou 061000,Hebei,China;3 Shandong Analysis and Test Center,Jinan 250014,China;4 Jiangsu Iron & Steel Research Institute(Shagang),Zhangjiagang 215625,Jiangsu,China)

      ultra-long life fatigue;inclusion;relative GBF size;crack propagation

      10.11868/j.issn.1001-4381.2016.08.014

      TG142.1

      A

      1001-4381(2016)08-0085-08

      國家自然科學基金資助項目(51101094);河北省高等學??茖W技術(shù)研究重點資助項目(ZD2015045);河北工程大學青年學術(shù)骨干基金(HBE-Yooth001);河北工程大學博士專項基金(HBE2014004);河北省自然科學基金(E2015402111)

      2014-08-14;

      2015-09-23

      李永德(1981-),男,博士,研究方向:疲勞與斷裂及失效分析,聯(lián)系地址:河北省邯鄲市光明南大街199號河北工程大學 (056038),E-mail:ydli@alum.imr.ac.cn

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