中碳鋼高周疲勞損傷過程中表面顯微硬度變化特征的實(shí)驗(yàn)研究

崔曉玉 孫倩

摘要： 金屬材料產(chǎn)生疲勞破壞一般來說都是從表面的薄弱區(qū)域開始的，受到外部物理因素和化學(xué)因素的影響，表面薄弱區(qū)域很容易受到破壞，從而產(chǎn)生疲勞性受損。這不僅僅有助于了解疲勞損傷過程的發(fā)展及其物理本質(zhì)，另一方面，對于尋求服役機(jī)械零構(gòu)件疲勞無損評定的新途徑也具有重要意義。

Abstract： The fatigue damage of metal materials mostly starts from the weak micro area of the free surface， and the fatigue damage is related to the occurrence and development of micro plastic deformation in the fatigue process. It is not only helpful to understand the development of fatigue damage process and its physical essence， but also is of great significance to seek a new way of fatigue non-destructive assessment of mechanical components in service.

關(guān)鍵詞： 金屬材料;疲勞損傷;機(jī)械零構(gòu)件

中圖分類號： O346.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0038-02

0? 引言

中碳鋼作為一種良好的材料，具有良好的機(jī)械和力學(xué)性能。疲勞性就是機(jī)械和力學(xué)性能的一個(gè)指標(biāo)。中碳鋼的使用過程中，由于受到了計(jì)算精度等的影響，中碳鋼的壽命疲勞在計(jì)算方式上精度比較低，大部分研究人員在進(jìn)行疲勞性測試的時(shí)候測試有效程度都很低，從而影響了疲勞性的測試和分析。當(dāng)前在進(jìn)行中碳鋼的亮度計(jì)算的過程中，精度較低的原因主要包含疲勞強(qiáng)度指數(shù)難以在全周，即：低周、中周和高周，三者實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一表達(dá)。

所以，為了提升中碳鋼疲勞性測量的強(qiáng)度指數(shù)，當(dāng)前需要對中碳鋼進(jìn)行基于疲勞壽命的估算方式以及壽命預(yù)測分析。在進(jìn)行測試的時(shí)候使用了參考文獻(xiàn)的中碳鋼40Cr疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過這一數(shù)據(jù)對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對比。在比照和預(yù)測的過程中，可以實(shí)現(xiàn)低周、中周和高周的全方位測算。這種方式為提升測算和估算的精度具有重要幫助。因此，本文對中碳鋼高周疲勞損傷過程中表面顯微硬度變化特征進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，將著重分析中碳鋼的表面硬度變化以及使用壽命變化情況，有效提升中碳鋼使用壽命的測算精度。

1? 制定檢查要求，探測疲勞損傷程度

疲勞是零件受到重復(fù)載荷部分損壞的過程，并且是零件的破裂，蔓延和最終破壞的累積過程所產(chǎn)生的綜合結(jié)果。在反復(fù)施加載荷的情況下，局部塑性變形會(huì)在應(yīng)力最高的應(yīng)力區(qū)域中發(fā)生。這種塑性變形會(huì)導(dǎo)致零件永久損壞和裂紋擴(kuò)展。但是，隨著零件上的載荷循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，裂紋（損壞）的長度也會(huì)相應(yīng)增加。達(dá)到一定次數(shù)的循環(huán)后，裂紋可能會(huì)導(dǎo)致組件故障。

通常，疲勞過程分為四個(gè)階段：裂紋成核，微裂紋增長，宏觀裂紋增長和最終斷裂。

在靠近高應(yīng)力集中的局部剪切面上會(huì)發(fā)生裂變，例如穩(wěn)定的滑動(dòng)帶，夾雜物，疏松的顆粒或不連續(xù)的分布。局部剪切平面通常出現(xiàn)在粒子表面或邊界內(nèi)。（如圖1所示）

在這個(gè)階段，裂紋成核是疲勞過程的第一步。當(dāng)裂紋成核并反復(fù)加載時(shí)，裂紋會(huì)沿著最大剪切應(yīng)力平面通過晶界生長。以飛機(jī)為例，與飛機(jī)的使用情況（飛行小時(shí)或起落次數(shù)）有關(guān)。必須制訂一個(gè)檢查要求，以保證在由于某種疲勞損傷造成任何飛機(jī)的剩余強(qiáng)度低于允許水平之前，提供探測疲勞損傷的最大可能性。

采用電子顯微鏡對45鋼旋彎試樣高周疲勞損傷累積過程進(jìn)行顯微分析，再現(xiàn)了金屬材料疲勞損傷過程中的微觀組織變化過程，揭示了材料疲勞損傷從萌生到擴(kuò)展以至最終斷裂這一演變的物理本質(zhì)。

2? 通過裂紋檢查失效表面，延長零件壽命

檢查人員需要通過裂紋來檢查失效的表面，通過裂紋分析來延長零件的壽命。通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，我們將討論如何使用等效應(yīng)變法，能量法和損傷法評估三維交變應(yīng)力下的高溫和低周疲勞壽命，并介紹相應(yīng)的壽命評估公式。 在工程應(yīng)用中，零件在裂紋成核和微裂紋擴(kuò)展過程中的壽命稱為裂紋萌生階段，萌生階段是控制裂紋擴(kuò)散的最佳時(shí)間。零件在宏觀裂紋擴(kuò)展過程中的壽命稱為裂紋擴(kuò)展階段。（如圖2所示）

在許多情況下，無法準(zhǔn)確定義從開始到擴(kuò)展的過渡。鋼零件的開裂階段通常占疲勞壽命的大部分，尤其是在高周疲勞（約10，000次循環(huán)）下。在低循環(huán)疲勞條件下（少于約10，000個(gè)循環(huán)），大部分疲勞壽命都花費(fèi)在擴(kuò)展裂紋上。

一旦裂紋形成或者發(fā)生完全失效，就可以檢查到疲勞失效的表面。彎曲或軸向疲勞失效通常會(huì)留下蛤殼狀或海灘狀斑紋，這些斑紋的名稱源自斷裂表面的形貌特征。裂紋成核區(qū)域位于殼的中央，裂紋像是從裂紋成核所在區(qū)域擴(kuò)展開來的樣子，通常呈輻射狀，留下一個(gè)半橢圓形的圖案。在某些情況下，通過檢測裂紋部位所遺留海灘斑紋的尺寸和位置，可以識別裂紋擴(kuò)展開始或者結(jié)束的不同階段。海灘斑紋的線條呈條紋狀與樹干橫斷面的年輪線相似。這些條紋狀呈現(xiàn)出在一個(gè)加載循環(huán)期間裂紋擴(kuò)展的范圍。與此類似，樹每年長一圈，而疲勞損傷則在每個(gè)加載循環(huán)產(chǎn)生一個(gè)圈。在發(fā)生疲勞失效時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最終的剪切裂痕，這是材料在失效之前對載荷的最后一點(diǎn)支撐，使切變裂痕的尺寸取決于加載的類型、材料和其他條件。

3? 選擇適當(dāng)材料，減少疲勞損傷

金屬材料本身還有它加工的組件和設(shè)備會(huì)在反復(fù)載荷下造成疲勞損壞。金屬材料在高強(qiáng)度的荷載之下會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的疲勞損壞，這對于工程設(shè)計(jì)和工程進(jìn)度具有重要影響。當(dāng)前大部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)損傷是疲勞損傷，由此可見，疲勞性損傷對設(shè)備的影響較深。在諸如RV減速器，鐵路運(yùn)輸，航空航天和航空航天等工程領(lǐng)域中，經(jīng)常發(fā)生各種損傷性疲勞。（如圖3所示）

學(xué)者們使用各種方法和測試來確定材料的疲勞性能。疲勞性能的主要指標(biāo)是疲勞壽命，也就是疲勞能夠承受的荷載循環(huán)次數(shù)，同時(shí)也可以稱作是整個(gè)設(shè)備破裂可能需要的時(shí)間。很多研究學(xué)者使用了顯微鏡來進(jìn)行分析，從而得出了結(jié)論。當(dāng)前理論分析一般都是將疲勞裂紋形成和疲勞裂紋擴(kuò)展的時(shí)間視為材料的疲勞壽命。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為了擺脫沖擊所帶來的威脅，以沖擊壓縮破壞曲線的門檻值為基礎(chǔ)確定其設(shè)計(jì)許用應(yīng)變。其結(jié)果是不得不把復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)變限制在很低的水平上，使復(fù)合材料的潛力無法得到發(fā)揮。實(shí)際上，雖然復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造和使用過程中遇到外來物沖擊是不可避免的，但終究這種沖擊是局部的。不應(yīng)該為保證這一局部的強(qiáng)度而限制所有未受沖擊的結(jié)構(gòu)部位的工作應(yīng)變，因?yàn)檫@顯然是不合理的，也是過于保守的。

4? 總結(jié)

當(dāng)前動(dòng)力機(jī)械以及高溫高壓裝置的使用，開始廣泛應(yīng)用在了工程設(shè)備領(lǐng)域中。但是當(dāng)前的工作環(huán)境條件逐漸苛刻，很多設(shè)備可能面臨的環(huán)境壓力越來越大，設(shè)備出現(xiàn)疲勞性鍛煉的可能性也在加大。當(dāng)前很多學(xué)者都在研究多維疲勞產(chǎn)生的原因，針對當(dāng)前疲勞出現(xiàn)的原因、影響因素和對應(yīng)策略進(jìn)行研究和分析。在工程中，高溫疲勞一般分為了二維或者三維的疲勞，而中碳鋼作為廣泛使用的材料，本身有較好的機(jī)械和力學(xué)性能，因此在高溫疲勞的研究中中碳鋼的研究難度會(huì)增大。當(dāng)前在計(jì)算中碳鋼使用壽命的時(shí)候經(jīng)常出現(xiàn)計(jì)算精度較低的問題，這是因?yàn)樵诠浪氵^程中，低周、中周和高周，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一表達(dá)。

因此，在研究中碳鋼的疲勞強(qiáng)度指數(shù)的過程中，需要結(jié)合傳統(tǒng)的估算方式和新型的估算方式進(jìn)行預(yù)測分析，采用不同方式分析之后進(jìn)行估算結(jié)果的比對，全面分析中碳鋼的疲勞壽命，通過全周分段計(jì)算方式來提升壽命估算的精度。這將為提高金屬材料疲勞壽命分析提供一定的支持和幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏建鋒，鄭修麟.熱處理和預(yù)應(yīng)變對45鋼疲勞性能影響的定量研究[J].金屬熱處理學(xué)報(bào)，1998（03）.

[2]葉篤毅，王德俊，平安.中碳鋼高周疲勞損傷過程中表面顯微硬度變化特征的實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，1996（02）.

[3]楊浩泉，周平.高周疲勞過程中45鋼表面顯微硬度變化規(guī)律的研究[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊，2006（07）.