封 碩，薛紅前，閆 雪

（西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，陜西 西安 710072）

300M鋼疲勞熱耗散的試驗研究

封 碩，薛紅前，閆 雪

（西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，陜西 西安 710072）

研究了300M鋼疲勞損傷過程中的熱耗散和溫度演化規(guī)律，測試了300M鋼在熱處理和未經(jīng)熱處理狀態(tài)下力學(xué)性能和疲勞性能。試驗結(jié)果顯示：經(jīng)過熱處理的300M鋼其拉伸性能和疲勞性能都有顯著提高，且在拉伸以及疲勞損傷過程中，溫度升高更為明顯。兩種處理方式的試件顯現(xiàn)出不同的熱耗散規(guī)律。根據(jù)疲勞損傷過程中溫度演化規(guī)律估算了疲勞極限σ－1，與試驗值吻合很好，為快速確定300M鋼的疲勞極限提供了一個方法。

機(jī)械制造；材料試驗；300M鋼；熱耗散

0 前言

300M鋼作為一種飛機(jī)起落架用鋼，其性能的優(yōu)劣直接影響著飛機(jī)安全性。據(jù)統(tǒng)計，起落架故障約占全機(jī)總故障的40%，在交變載荷作用下，其失效形式主要表現(xiàn)為疲勞破壞?？梢娚钊肓私?00M鋼的疲勞性能十分重要。金屬疲勞過程中存在著多種形式的能量耗散，其研究經(jīng)歷了兩個階段：機(jī)械能耗階段和能量耗散階段[1]。隨著精確的測量方法以及先進(jìn)的非接觸式測溫儀的應(yīng)用，疲勞能量理論的研究逐漸擺脫單純的機(jī)械能耗階段，進(jìn)入以熱耗散為主的能量耗散的研究階段。Luong[2]指出紅外熱像不僅能夠確定損傷的位置和演化過程，而且能夠觀察損傷和破壞的物理過程，快速確定材料的疲勞強(qiáng)度。Boulanger[3]利用紅外照相機(jī)研究了鋼在疲勞過程中的熱彈性效應(yīng)和熱耗散。童小燕[4]用紅外熱像儀測量了低周疲勞自然溫升分布及變化規(guī)律。本文選取了經(jīng)過熱處理和未經(jīng)過熱處理的兩組試件，采用非接觸式紅外熱像儀研究在不同的應(yīng)力水平下試件熱耗散現(xiàn)象和溫度演化規(guī)律，從而研究疲勞損傷過程中的能量耗散規(guī)律。根據(jù)疲勞過程中熱耗散溫度變化和應(yīng)力幅值關(guān)系曲線，估算出了疲勞極限σ－1。

1 試驗

1.1 材料成分及力學(xué)性能

所有300M超高強(qiáng)度鋼試件的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）：碳 0.38、錳 0.76～0.91、硅 1.51～1.69、硫0.003、磷 0.0075～0.0085、鎳 1.8～1.91、鉻 0.85、釩0.07～0.085、鋁 0.4、銅 0.07、余量鐵。部分試件采用標(biāo)準(zhǔn)熱處理工序：預(yù)備熱處理925℃正火+680℃～700℃高溫回火和最終熱處理870℃油淬+300℃回火2次，空冷。其余未進(jìn)行熱處理。

疲勞試件做成變截面圓柱形，最小處直徑5mm。其余各部尺寸如圖1所示。

表1給出了經(jīng)熱處理后300M鋼的力學(xué)性能。

圖1 疲勞試樣幾何尺寸

表1 300M鋼的力學(xué)性能

1.2 試驗設(shè)備及方法

試驗設(shè)備如圖2所示。試驗采用INSTRON8801液壓伺服疲勞試驗機(jī)，采用應(yīng)力控制恒幅加載方式，控制波形為正弦波，加載頻率20Hz，應(yīng)力比R=－1。同時采用ThermaCAM SC3000熱紅外成像儀測量試樣表面溫度在疲勞過程中的變化，該熱像儀波長8～9μm，具有極高的熱靈敏度，測量精度可達(dá)到0.003℃。試驗前為了減少不確定的試樣表面輻射對溫度測量的影響，需要將疲勞試件縮頸處涂黑（兩端夾持，不必涂黑）。首先各選取一個經(jīng)過熱處理和未經(jīng)過熱處理的試件進(jìn)行靜拉伸試驗，得到位移-載荷曲線和熱耗散曲線。然后再分別取熱處理和未熱處理的試件，在不同的應(yīng)力水平下進(jìn)行疲勞試驗，記錄其疲勞過程和熱耗散規(guī)律。

圖2 試驗設(shè)備實物

2 結(jié)果與分析

2.1 試件靜拉伸

兩組靜拉伸結(jié)果如表2所示。

圖3 靜拉伸位移-載荷和熱耗散曲線

表2 靜拉伸參數(shù)和結(jié)果

表3 疲勞試驗參數(shù)和結(jié)果

由表2中的溫度變化可以看出，R1的溫度變化（84.33K）遠(yuǎn)大于W1的溫度變化（28.43K），筆者認(rèn)為這是因為R1試件強(qiáng)度大，韌性高，所達(dá)到的最大載荷遠(yuǎn)大于W1試件，所以能量耗散大，故溫度變化非常高。

兩個試件的靜拉伸載荷位移曲線和熱耗散曲線如圖3所示。

可見，R1試件的拉伸強(qiáng)度較W1提高了近2.5倍。R1在靜拉伸過程中，初始階段，溫度隨載荷增大而逐漸增大；當(dāng)載荷超過屈服極限后，升溫速率加??；直至試樣斷裂，溫度升至最大值。W1在靜拉伸過程中，初始階段溫度就有明顯升高，當(dāng)試樣加載到17.684kN時，位移迅速增大，載荷保持不變；此后在屈服階段，溫度和位移仍繼續(xù)增加但是載荷卻持續(xù)減小直到斷裂瞬間，溫度升至最大值。

2.2 疲勞試驗及溫度演化

以R代表熱處理試件，W代表未經(jīng)過熱處理的試件。所有試件進(jìn)行疲勞試驗。其加載應(yīng)力、疲勞循環(huán)數(shù)、溫差值列于表3。

可見，熱處理試件和未經(jīng)過熱處理試件初始階段溫度升高都隨著加載循環(huán)應(yīng)力的增加而增加，因為單位時間內(nèi)消耗的塑性功增加，并且材料的循環(huán)軟化現(xiàn)象越明顯。因此，經(jīng)熱處理的試件疲勞斷裂時溫度值相對未經(jīng)過熱處理的試件更分散。

圖4給出了疲勞損傷過程中溫升和應(yīng)力幅的關(guān)系。在循環(huán)初始階段，隨著塑性應(yīng)變能的累積，材料的溫度不斷升高，這是因為：在循環(huán)初期，材料內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)遭到破壞并發(fā)生較劇烈的變化，產(chǎn)生大量諸如空穴增長、位錯增值等不可逆的畸變并釋放熱能，由于此時試樣和環(huán)境之間溫差比較小，顯微結(jié)構(gòu)變化時釋放的熱能流損太少，使產(chǎn)生的熱量幾乎都用于提高試樣的溫度，所以溫度上升較快；進(jìn)入穩(wěn)定循環(huán)階段后，材料具有相對比較穩(wěn)定的晶格缺陷，顯微結(jié)構(gòu)的變化趨于穩(wěn)定，試樣的熱耗散和試樣環(huán)境之間的熱交換量也大致相當(dāng)，所以試樣表面的變化比較穩(wěn)定；在宏觀裂紋擴(kuò)展階段（圖5），隨著材料塑性變形的快速增加，裂尖處的能量要快速釋放，使試樣表面溫度急劇上升，并在疲勞失效時失穩(wěn)。

圖4 溫升和應(yīng)力幅的關(guān)系（a）熱處理 （b）未熱處理

比較圖4（a）、（b） 可知，在相同或者相近的循環(huán)壽命下，R系列的試件的溫差遠(yuǎn)小于W系列的溫差值，這種現(xiàn)象可以解釋為：①疲勞過程中材料形變過程中晶體或者晶粒發(fā)生相對剪切移動發(fā)生位錯，導(dǎo)致晶體內(nèi)摩擦，原子由此而震蕩生熱。文獻(xiàn)[5]指出，300M鋼經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)熱處理后，晶粒度達(dá)到6～8級。一般情況下，細(xì)晶粒金屬由于晶粒小，單位體積中晶粒度多，金屬的總變形量分散在更多的晶粒內(nèi)，晶粒間變形不均勻減少，減少了應(yīng)力集中，降低了位錯的形成和移動（圖6（a）斷面），抑制了原子震蕩生熱，所以溫度升高幅度小。而未經(jīng)過熱處理的試件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷較多（空穴、碳等），在疲勞過程中產(chǎn)生了大量的位錯和晶體剪切移動（圖6（b）斷面），這些變形和運動導(dǎo)致晶體內(nèi)摩擦加劇，原子震蕩激烈，所以溫度升高幅度高。②R系列的試件循環(huán)應(yīng)力占應(yīng)力強(qiáng)度的百分比 σmax/σb為 45.8%～49.3%，W系列的試件其 σmax/σb為 55.6%～61.2%，而應(yīng)力幅值直接影響著疲勞過程中的熱耗散。金屬在相對低應(yīng)力狀態(tài)下，主要由粘滯彈性產(chǎn)生阻尼生熱；而在相對高應(yīng)力時，局部的塑性變形應(yīng)變變得重要，因塑性變形而生熱的影響占主導(dǎo)地位，只有相對循環(huán)應(yīng)力大到使材料發(fā)生塑性變形時，才會有較大的發(fā)熱和溫升。

圖5 試件裂紋擴(kuò)展過程

圖6 疲勞斷口（a）熱處理試件 （b）未熱處理

2.3 估算疲勞極限σ－1

單軸疲勞應(yīng)力測試下，根據(jù)熱耗散現(xiàn)象可以估算材料的疲勞極限。研究表明[6]，低碳鋼中初始溫度變化和疲勞強(qiáng)度極限σ－1之間存在著一定的關(guān)系，此關(guān)系可以表述為：如果將應(yīng)力和循環(huán)初始階段溫度變化數(shù)據(jù)點使用曲線擬合，通過將該曲線的溫度外推至零，則相應(yīng)的應(yīng)力值即為該材料的σ－1。

理論上使用一個試件便可以測試出試件的疲勞極限，但是在實際中為了消除由于單個試件自身行為的影響帶來的誤差，所以通常使用幾個試件（一般三個試件足夠）[7]。所以本文所取的數(shù)據(jù)點個數(shù)完全符合要求。

兩種熱處理方式的300M鋼初始階段溫度變化—應(yīng)力關(guān)系及擬合的曲線如圖7所示。

根據(jù)擬合曲線，將可以求得熱處理后300M鋼的 σ－1=843MPa，未熱處理 300M 鋼 σ－1=477.5MPa。表4給出了經(jīng)過熱處理的300M鋼σ－1的估算值和相應(yīng)的疲勞試驗結(jié)果的實測值比較吻合。

表5給出了未經(jīng)過熱處理300M鋼σ－1的估算值和文獻(xiàn)[10]中給出的計算公式的比較。

盡管本文的疲勞極限σ－1并不是根據(jù)“階梯法”計算出來的，但是根據(jù)與參考文獻(xiàn)的比較可以知道此估算值具有較高的精度。可見，根據(jù)熱耗散現(xiàn)象快速的估算疲勞極限是可行并且具有相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確性。

3 結(jié)論

（1）300M鋼的超高強(qiáng)度主要來自于熱處理工藝，沒有經(jīng)過熱處理的試件其強(qiáng)度和進(jìn)行過熱處理的相差很大。熱處理試件由于其強(qiáng)度大，所以能耗大，在靜拉伸斷裂瞬間溫度變化比未經(jīng)過熱處理的試件高很多。

（2）經(jīng)過熱處理和未經(jīng)過熱處理的300M鋼疲勞過程中的熱耗散現(xiàn)象有明顯的不同，未經(jīng)過熱處理的試件在循環(huán)初始階段和斷裂時溫度的變化均比經(jīng)過熱處理的試件要高。

表4 熱處理300M鋼σ-1估算值與試驗值的比較

（3）根據(jù)熱耗散現(xiàn)象的數(shù)據(jù)，擬合出了△T—σa曲線，并估算了兩種熱處理形式下300M鋼在應(yīng)力比R=-1下的疲勞極限σ-1，根據(jù)與文獻(xiàn)中的σ-1值相比，誤差很小。所以根據(jù)此方法快速估算300M鋼疲勞極限是可行的。此為研究300M鋼的疲勞極限提供了一個方法。

表5 未熱處理30M鋼σ-1估算值與文獻(xiàn)中的比較

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Test research of fatigue heat dissipation of 300M steel

FENG Shuo,XUE Hongqian,YAN Xue
（School of Mechanical Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xian 710072,Shanxi China）

The laws of heat dissipation and temperature of 300M steels have been researched by use of noncontact infrared thermograph technology.The dynamics properties and fatigue of 300M steel under condition of with or without heat-treatment have been tested.Experiment results show tensile strength and fatigue properties have been enhanced through heat-treatment.And the heat treatment 300M steels with higher fatigue have obvious bigger increase in temperature during tensile and fatigue process.The samples with two kinds of treatment reflect different heat dissipation laws.According to temperature rules in fatigue process,the fatigue limit σ-1have been estimated,which is very fitting to experimental values.A rapid method to determinate the fatigue limit of 300M steels has been proposed appropriately.

Heat dissipation;Heat-treatment;Fatigue test;Fatigue limit

TG304

B

1672－0121（2012）02－0083－04

國家自然科學(xué)基金（50775182）；教育部留學(xué)人員科研啟動基金資助

2011－11－29

封 碩（1987－），男，碩士在讀，主攻金屬材料試驗研究