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        拉彎扭比例加載下50CrVA彈簧鋼的多軸疲勞壽命及損傷特征

        2014-11-30 09:46:46何玉懷劉新靈陶春虎
        材料工程 2014年12期
        關(guān)鍵詞:裂紋

        趙 凱,何玉懷,劉新靈,陶春虎

        (北京航空材料研究院,北京100095)

        多軸疲勞是指疲勞損傷發(fā)生在多軸加載條件下,即至少有兩個(gè)或三個(gè)方向施加的應(yīng)力獨(dú)立地隨時(shí)間發(fā)生變化。它們的變化可以是同相位、按比例的,也可以是非同相位、非比例的。相對(duì)于單軸疲勞而言,多軸疲勞無(wú)論在力學(xué)分析,實(shí)驗(yàn)研究,乃至物理機(jī)制方面都更為復(fù)雜。因?yàn)殡S著三個(gè)主應(yīng)力(主應(yīng)變)相對(duì)比值的改變,啟動(dòng)了更多的滑移系,裂紋可以在不同的方向和平面內(nèi)形成。因此,在多軸疲勞情況下循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變特性,裂紋的取向,形狀,擴(kuò)展方向,速率以及疲勞壽命等均將受到更多因素的影響。多軸疲勞的研究比單軸疲勞更加接近工程實(shí)際,且復(fù)雜載荷下疲勞行為的研究將進(jìn)一步豐富人們對(duì)疲勞損傷機(jī)理和失效過(guò)程的認(rèn)識(shí),因此受到工程界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[1-7]。近年來(lái),人們逐漸認(rèn)識(shí)到多軸疲勞問(wèn)題的重要性,對(duì)其研究也逐漸深入[8-12]。航空航天、核電站、化工及車輛運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的許多零部件都是在復(fù)雜的多軸應(yīng)力狀態(tài)下工作,并且多是因承受隨機(jī)載荷作用而失效[13,14]。目前,大部分的科研僅集中于拉扭、拉拉、彎扭等雙軸疲勞研究,而對(duì)拉彎扭等更為復(fù)雜的多軸疲勞方面的研究較少。

        本工作通過(guò)設(shè)計(jì)偏心試樣研究50CrVA彈簧鋼在比例加載下的拉彎扭多軸疲勞性能,探索附加彎矩對(duì)試樣疲勞壽命的影響,通過(guò)掃描電鏡(SEM)對(duì)實(shí)驗(yàn)斷口進(jìn)行觀察,研究多軸疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展機(jī)理。并對(duì)拉彎扭多軸疲勞進(jìn)行了試探性研究,進(jìn)一步豐富了多軸疲勞的研究成果,具有一定的工程指導(dǎo)意義。

        1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

        50CrVA彈簧鋼取自直徑為35mm的棒材,其化學(xué)成分如表1所示。將棒材加工成毛坯后,對(duì)其進(jìn)行熱處理。熱處理工藝過(guò)程:加熱至860℃,保溫1h后油淬→400℃/90min回火。試樣材料經(jīng)熱處理后的力學(xué)性能:σb=1480MPa,σ0.2=1320MPa,δ=12%,ψ=47%。完成熱處理工藝后再對(duì)毛坯進(jìn)行精加工。

        表1 50CrVA彈簧鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table1 Chemical composition of 50CrVA spring steel(mass fraction/%)

        采用MTS 809拉-扭電液伺服材料試驗(yàn)機(jī),所有實(shí)驗(yàn)均在室溫空氣介質(zhì)下進(jìn)行。為使試樣產(chǎn)生附加彎矩,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)重新設(shè)計(jì)偏心試樣來(lái)模擬彎扭復(fù)合疲勞實(shí)驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)試樣形狀和尺寸如圖1(a)所示。在此基礎(chǔ)上將試樣改進(jìn)成偏心試樣,所謂偏心試樣即工作部分的軸線平行偏離試樣整體軸線一定距離。當(dāng)施加軸向載荷時(shí)偏心試樣會(huì)受到附加彎矩。因此,當(dāng)對(duì)偏心試樣進(jìn)行拉扭復(fù)合疲勞實(shí)驗(yàn)時(shí),偏心試樣還受到附加彎矩的作用,實(shí)際上是對(duì)偏心試樣進(jìn)行拉彎扭復(fù)合疲勞實(shí)驗(yàn)。在本實(shí)驗(yàn)中,偏心試樣的偏心量為0.50,0.75,1.00mm。偏心試樣(偏心量1.00mm)的形狀和尺寸如圖1(b)所示。各試樣均為光滑試樣,精加工完成后用砂紙打磨試樣表面以消除表面殘余應(yīng)力。

        圖1 標(biāo)準(zhǔn)試樣(a)和偏心試樣(1.00mm)(b)的形狀和尺寸Fig.1 The shape and size of the standard specimen(a)and eccentric specimen(1.00mm)(b)

        施加的載荷:軸向拉力波形為正弦波,幅值為9kN。扭矩波形也為正弦波,幅值為90N·m。實(shí)驗(yàn)應(yīng)力比R=0.1,頻率為10Hz。兩個(gè)波形同步,無(wú)相位角即比例加載。

        2 結(jié)果分析與討論

        2.1 偏心試樣受力分析

        偏心試樣共受三類載荷作用:軸向拉力、附加彎矩和扭矩。

        軸向拉應(yīng)力幅值σp計(jì)算公式[15]

        式中:Fmax是作用在偏心試樣上的軸向拉力幅值;d是偏心試樣的直徑。計(jì)算可知,各試樣的軸向拉應(yīng)力均為180MPa。

        對(duì)偏心試樣施加軸向拉力時(shí),由于偏心量的存在會(huì)產(chǎn)生附加彎矩,在附加彎矩的作用下產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力幅值σd計(jì)算公式[15]

        式中e是偏心量。計(jì)算可知,標(biāo)準(zhǔn)試樣和不同偏心量(0.50,0.75,1.00mm)下偏心試樣的軸向應(yīng)力幅值分別為0,90,135,180MPa。

        對(duì)于偏心試樣所承受的載荷,利用疊加原理[15-17],將彎曲應(yīng)力與軸向應(yīng)力進(jìn)行疊加。偏心試樣軸向應(yīng)力幅值的計(jì)算公式

        計(jì)算可知,標(biāo)準(zhǔn)試樣和不同偏心量下軸向應(yīng)力幅值分別為180,270,315,360MPa。

        扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力幅值τmax的計(jì)算公式[15]

        式中Tmax為扭矩幅值。計(jì)算可得各試樣的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力幅值均為900MPa。

        可知,各試樣扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力和軸向拉應(yīng)力均相同,所不同的是偏心試樣在軸向拉力的作用下會(huì)產(chǎn)生附加彎矩,偏心量越大,所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力也越大。

        2.2 附加彎矩對(duì)疲勞壽命的影響

        圖2為各試樣彎曲應(yīng)力-疲勞壽命關(guān)系圖??梢钥闯觯嚇拥钠趬勖](méi)有隨著彎曲應(yīng)力幅值的增大而出現(xiàn)顯著降低。各試樣的彎曲應(yīng)力幅值為0~180MPa。由 Von Mises等效應(yīng)力[18]σeq=計(jì)算可得各試樣的等效應(yīng)力為1570~1600MPa。則各試樣的彎曲應(yīng)力幅值不超過(guò)等效應(yīng)力的11%,扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為等效應(yīng)力的57%左右。因此,各試樣的彎曲應(yīng)力占等效應(yīng)力比重較小,對(duì)試樣的疲勞壽命影響不大;扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力占等效應(yīng)力比重較大,對(duì)試樣的疲勞壽命有較大影響。各試樣的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力均相同,因此其疲勞壽命相差較小。

        圖2 各試樣的彎曲應(yīng)力-疲勞壽命關(guān)系Fig.2 The relationship of bending stress-fatigue life for specimens

        2.3 復(fù)合加載損傷特征

        2.3.1 斷口宏觀特征

        圖3為試樣疲勞斷口側(cè)面形貌。用Olympus SZ61體視鏡對(duì)各試樣的斷面法線與試樣軸線之間的夾角進(jìn)行測(cè)量,標(biāo)準(zhǔn)試樣的夾角相對(duì)較大,約為40°(圖3(a));對(duì)于各偏心試樣而言,夾角為5~20°不等,各偏心試樣之間并沒(méi)有明顯差別(圖3(b)~(d))。所有試樣的斷面均呈現(xiàn)螺旋走向。對(duì)于純扭轉(zhuǎn)疲勞斷口,斷面通常與軸線約呈45°。對(duì)于拉彎扭疲勞斷口,在軸向拉應(yīng)力的作用下,裂紋不再單純沿與軸線約45°截面擴(kuò)展,裂紋也沿垂直軸線方向擴(kuò)展。因此,斷面法線與試樣軸線之間的夾角要小于45°,且理論而言,軸向應(yīng)力越大,夾角越小。對(duì)于各偏心試樣而言,軸向拉應(yīng)力均相同,所不同的是彎曲應(yīng)力。如前所述,各偏心試樣彎曲應(yīng)力的值相比于等效應(yīng)力均小很多。因此隨著偏心量的增大,各偏心試樣斷面夾角并不會(huì)出現(xiàn)很明顯的差別。

        標(biāo)準(zhǔn)試樣以及偏心試樣(1.00mm)的斷口形貌如圖4所示。兩試樣的斷口均呈灰色,部分區(qū)域磨損較嚴(yán)重,這主要是裂紋面的兩側(cè)有規(guī)律的反復(fù)張合以及扭轉(zhuǎn)加載下裂紋面兩側(cè)的研磨所致。兩斷口均未見明顯塑性變形和疲勞弧線??捎^察到源區(qū),疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。源區(qū)為點(diǎn)源特征,疲勞裂紋萌生于試樣表面,因?yàn)樵嚇颖砻娴呐まD(zhuǎn)切應(yīng)力最大。標(biāo)準(zhǔn)試樣的斷口較為粗糙,有明顯的剪切唇,剪切唇因擦傷而呈現(xiàn)光亮;偏心試樣(1.00mm)的斷口相對(duì)平坦,剪切唇面積較小,斷口擦傷更嚴(yán)重,因?yàn)槠脑嚇舆€要承受附加彎矩的作用。如前所述,彎曲應(yīng)力與軸向拉應(yīng)力相疊加,使得裂紋面兩側(cè)的反復(fù)張合幅度更大,偏心試樣的斷口磨損更嚴(yán)重。標(biāo)準(zhǔn)試樣的疲勞擴(kuò)展區(qū)所占面積約為斷口的1/5;偏心試樣(1.00mm)的疲勞擴(kuò)展區(qū)所占面積約為斷口的1/10??梢园l(fā)現(xiàn),試樣的疲勞擴(kuò)展區(qū)隨著軸向應(yīng)力的增大而減小,瞬斷區(qū)隨著軸向應(yīng)力的增大而增加??梢娸S向應(yīng)力的增大會(huì)在一定程度上加速疲勞裂紋的擴(kuò)展。

        圖4 標(biāo)準(zhǔn)試樣(a)以及偏心試樣(1.00mm)(b)的斷口形貌Fig.4 Fracture surface morphology of standard specimen(a)and eccentric specimen(1.00mm)(b)

        2.3.2 斷口微觀特征

        掃描電鏡(SEM)下觀察偏心試樣(1.00mm)的斷口,源區(qū)高倍形貌如圖5(a)所示(圖4(b)中①位置)。源區(qū)附近未見冶金缺陷,可觀察到明顯的放射棱線。在整個(gè)斷口上不易觀察到疲勞條帶。在疲勞擴(kuò)展前期可見輪胎花樣(圖5(b),圖4(b)中②位置)。對(duì)于單軸拉壓加載下的低周疲勞斷口,輪胎花樣和脊骨花樣為其主要微觀特征。輪胎花樣是一種擦傷的疲勞裂紋痕跡,疲勞裂紋形成后,裂紋面的兩側(cè)有規(guī)律的反復(fù)張合,相對(duì)于面上的棱角或硬的夾雜物使斷口擦傷[19]。在疲勞擴(kuò)展后期沿周向分布有較多的二次裂紋,在此附近可觀察到少量疲勞條帶。疲勞裂紋的擴(kuò)展方向有兩個(gè):周向和徑向(圖5(c),圖4(b)中③位置),周向分布的疲勞條帶與二次裂紋平行。對(duì)于單軸拉壓疲勞試樣,其疲勞條帶一般沿與軸線垂直的徑向分布。在純扭轉(zhuǎn)加載下,所萌生的疲勞裂紋位于平行和垂直于試樣軸線的兩個(gè)方向上,這兩個(gè)方向均承受循環(huán)剪切應(yīng)力作用[20]。拉彎扭復(fù)合作用下,斷口上的疲勞特征為綜合應(yīng)力作用的結(jié)果,沿徑向分布的疲勞條帶主要是軸向應(yīng)力作用的結(jié)果,沿周向分布的疲勞條帶則主要是扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力作用的結(jié)果。瞬斷區(qū)主要以剪切拉長(zhǎng)韌窩特征為主,其是扭轉(zhuǎn)疲勞斷口的典型特征。瞬斷區(qū)有明顯的擦傷痕跡(圖5(d),(e),圖4(b)中④位置)。

        圖5 斷口的微觀形貌(a)源區(qū)放大圖;(b)輪胎花樣;(c)疲勞條帶;(d)擦傷痕跡;(e)韌窩+擦傷Fig.5 Microscopic morphologies of fracture surface(a)magnification image of source region;(b)tire patterns;(c)fatigue striations;(d)trace of scratch;(e)dimples and scratch

        從微觀觀察來(lái)看,試樣在復(fù)合作用力的作用下沿周向與徑向擴(kuò)展。由于扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力較大而軸向應(yīng)力較小,因此可推斷周向?yàn)槠诹鸭y擴(kuò)展的主方向,而徑向?yàn)榇畏较?。兩個(gè)方向相互垂直,互不影響。周向分布的疲勞裂紋在扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的作用下擴(kuò)展速率快,首先擴(kuò)展到臨界尺寸后發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展,而此時(shí)徑向的疲勞裂紋尚未擴(kuò)展到臨界尺寸。擴(kuò)展速率較快的疲勞裂紋決定了試樣的疲勞壽命即扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力決定了試樣的疲勞壽命。各試樣的軸向應(yīng)力雖不同,但扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力均相同。因此,各試樣疲勞壽命相差不大??梢酝茢啵?dāng)軸向應(yīng)力繼續(xù)增大至與扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力所占等效應(yīng)力比重相近時(shí),軸向應(yīng)力會(huì)對(duì)試樣的疲勞壽命產(chǎn)生明顯影響。

        3 結(jié)論

        (1)對(duì)于拉彎扭復(fù)合疲勞加載,當(dāng)附加彎矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力幅值不超過(guò)等效應(yīng)力的11%時(shí),附加彎矩的存在對(duì)試樣的疲勞壽命影響較小。

        (2)拉彎扭復(fù)合疲勞加載的斷面存在嚴(yán)重的擦傷痕跡;疲勞源區(qū),疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)均較為明顯。斷口源區(qū)為點(diǎn)源特征,疲勞裂紋萌生于試樣表面。疲勞擴(kuò)展區(qū)的面積隨著軸向應(yīng)力幅值的變化而不同,軸向應(yīng)力幅值越大的試樣,其疲勞擴(kuò)展區(qū)面積越小。

        (3)拉彎扭復(fù)合疲勞加載的斷口上,疲勞條帶不易觀察到。在疲勞擴(kuò)展前期可以觀察到輪胎花樣。疲勞裂紋的擴(kuò)展方向有周向和徑向兩種。斷口上的疲勞特征為綜合應(yīng)力作用的結(jié)果,沿徑向和周向分布的疲勞條帶分別為軸向應(yīng)力作用和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力作用的結(jié)果。

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