田丹丹,何國球,沈 月,劉曉山,呂世泉 ,林國斌,任敬東,胡 杰
(1. 同濟大學 材料科學與工程學院, 上海市金屬功能材料開發(fā)應用重點實驗室, 上海 201804;2. 同濟大學 磁浮交通工程技術研究中心,上海 201804)
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方形和菱形路徑下35CrMoA拉扭復合微動疲勞行為
田丹丹1,何國球1,沈月1,劉曉山1,呂世泉1,林國斌2,任敬東2,胡杰2
(1. 同濟大學 材料科學與工程學院, 上海市金屬功能材料開發(fā)應用重點實驗室, 上海 201804;2. 同濟大學 磁浮交通工程技術研究中心,上海 201804)
研究了35CrMoA合金鋼在接觸應力為150MPa,等效應力幅值為400MPa時方形和菱形路徑下的微動疲勞特性,包括循環(huán)應力響應特征、疲勞壽命、微動斑及微動疲勞斷口的形貌特征。結果表明,方形路徑下,35CrMoA鋼經緩慢循環(huán)軟化、快速軟化到達最后的穩(wěn)定階段,而菱形加載下,材料快速軟化之后直接到達穩(wěn)定階段;兩種路徑下的疲勞壽命差別不大;方形加載的滑移區(qū)較寬,粘著區(qū)較窄,而菱形加載則相反;方形路徑下裂紋垂直于試樣表面擴展,而菱形加載路徑下的微裂紋是曲折的,沿與軸線成一定角度的方向上擴展。
35CrMoA合金鋼;加載路徑;微動疲勞;微動斑;斷口形貌
隨著科技的發(fā)展,服役工況條件愈來愈苛刻,對零部件精度、壽命和可靠性的要求也越來越高。高速列車輪軸鋼35CrMoA的冷切斷裂主要由輪軸壓裝部位的微動疲勞引起,縮短輪軸壽命,甚至帶來列車脫軌等嚴重事故[1-2]。從微動現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)至今,研究人員已進行大量研究,并總結出一些微動疲勞損傷機理。眾所周知,加載路徑對材料疲勞特性影響很大,然而國內外對35CrMoA合金鋼的多軸微動疲勞行為研究較少,材料在方形和菱形路徑加載下微動疲勞的研究更是空缺[3-5],這使列車安全隱患增加。本文擬研究35CrMoA在不同路徑下的微動疲勞特性,通過觀察微動斑及斷口特征,研究微動損傷及微動疲勞斷裂機理,從而明確加載路徑對35CrMoA微動疲勞的影響。
實驗用材料為35CrMoA合金鋼,其成分列于表1。
表1 35CrMoA鋼的化學成分(%,質量分數(shù))
本研究用35CrMoA鋼為直徑16mm的棒材,具體調質工藝為:將35CrMoA放入預熱電阻爐,850 ℃下固溶處理25min,油冷,之后550 ℃下回火60min,油冷。把調質后的材料制成標準拉伸、微動疲勞試樣及配套微動橋,尺寸如圖1所示。微動橋材料與熱處理工藝與試樣相同。考慮到疲勞裂紋萌生對試樣表面狀態(tài)敏感,疲勞試樣工作段需精密拋光,拋光后的表面粗糙度Ra≤0.16。
圖1 微動疲勞試樣及微動橋尺寸
Fig1Sizeoffrettingfatiguespecimenandfrettingbridge
本研究用到的主要設備為MTS809電液伺服疲勞試驗機,并安裝微動裝置,實驗時,試樣上端由上夾頭固定,下端由下夾頭夾持。軸向和扭向載荷均以方形波加載;微動橋通過調節(jié)螺栓和微動框剛性連接。圖2為加載路徑示意圖。
圖2 加載路徑示意圖
方形和菱形加載示意圖如圖2所示,其中σ和τ分別是軸向應力和剪切應力。
對于35CrMoA合金鋼,在接觸應力為150MPa,等效應力幅值為400MPa時分別在方形、菱形路徑下進行拉扭復和微動疲勞試驗,用Leitz307光學顯微鏡觀察試樣微觀組織,用FEIQuanta200F場發(fā)射SEM對微動斑和疲勞斷口進行分析,研究微動損傷及疲勞斷裂的特點和機理。
2.1微觀組織
圖3為35CrMoA合金鋼的原始組織形貌??梢钥闯霾牧辖浾{質后,得到的組織為細小回火索氏體,保留了原淬火馬氏體的方位,碳化物等析出相非常細小且不明顯,如圖3(a)所示。利用日立H-800TEM觀察的組織結構如圖3(b),可見位錯是最主要的特征,且以零散的線狀分散,無明顯的規(guī)律性和方向性,同時組織還保留了部分細小的馬氏體板條,具有一定的位向特征[6-7]。
圖3 35CrMoA顯微組織圖
2.2拉伸性能
將拉伸試樣裝夾于MTS809疲勞試驗機,進行力學性能測試,采用位移控制,加載速度為2mm/min。得到圖4(a)的應力-應變曲線,35CrMoA力學性能如表2。從試件夾持部分橫向截取小塊試樣,用HVS-50A型號維氏硬度計,沿直徑方向均布測試5點硬度值取平均值。試驗時施加的壓力為98N,保壓時間為15s,得到的硬度值如圖4(b)。
表2 35CrMoA常規(guī)力學性能
圖435CrMoA力學性能
Fig4Mechanicalpropertiesof35CrMoA
2.3循環(huán)應力響應特征
圖5為35CrMoA在接觸應力150MPa,等效應力幅值400MPa時不同路徑下的等效應變-循環(huán)周次曲線,可見材料的等效應變隨循環(huán)周次的增加表現(xiàn)出不同程度的增加,說明35CrMoA在不同路徑下表現(xiàn)出不同程度的循環(huán)軟化[8]。
圖5不同加載路徑下等效應變隨微動疲勞周期的演變關系
Fig5Equivalentstressamplitudevsnumberofcyclescurvesof35CrMoAunderdifferentloadingpaths
方形加載下:前100周,35CrMoA為緩慢軟化;100~250周次,進入快速軟化階段;300周次后到達穩(wěn)定。菱形加載下:前100周次,等效應變增加顯著,隨后保持穩(wěn)定。因為在拉扭過程中,應力應變增量矢量的變化規(guī)律不同,方形路徑下,循環(huán)載荷在剪應變方向到達最大,之后經90°轉折角,而菱形路徑下,循環(huán)載荷在剪應變與軸向應變對角方向到達最大,后經45°轉折角變形,兩者之間總有45°的相位差,就導致了如圖所示的應力響應特征。
2.4疲勞壽命
表3給出了35CrMoA鋼在接觸應力150MPa,等效應力幅值400MPa時不同路徑下試樣的疲勞壽命,可以看出,方形和菱形路徑下合金的疲勞壽命差別不大。這是因為兩種路徑下都同時存在著軸向應變和扭向應變,在一個循環(huán)過程中其大小和方向發(fā)生的變化基本相同,因此兩者的疲勞壽命基本一致。
表335CrMoA在方形和菱形路徑下的多軸微動疲勞壽命
Table3Fatiguelifeof35CrMoAundersquareanddiamondpaths
NoNormalcontactpressure/MPaEquivalentstressamplitude/MPaFrettingfatiguelife/NAveragelife/N16268方形1504001452414624Square1308017332菱形1504001326414288Diamond12268
2.5微動斑形貌特征
2.5.1微動區(qū)域特征分析
圖6,7為35CrMoA在方形和菱形路徑下的微動斑,可分為粘著區(qū)和滑移區(qū)。方形路徑下,滑移區(qū)較寬,粘著區(qū)相對較窄;菱形路徑下則相反。由于在方形路徑下,試樣與微動橋之間貼合更緊密,產生的微動摩擦也大,阻礙微動摩擦表面的相對滑移,使得微動摩擦面的相對滑移幅度減小,導致滑移區(qū)較窄。
并且方形路徑下的粘著區(qū),具有輕微滑擦、碾壓、抹平的痕跡,如圖6(c),這是試樣受到微動橋的接觸應力,表層產生塑性變形,粘著區(qū)內微動體間的靜摩擦力大于外載的交變剪切力,二體相對位移幾乎為零,故粘著區(qū)磨損較輕。而在滑移區(qū)具有明顯的滑動磨損、溝槽的痕跡,如圖6(b)所示。圖7(c)是菱形路徑下的粘著區(qū)顯微形貌,可以看出粘著區(qū)由很小的麻坑狀斑痕組成,這些微小的斑痕呈橢圓形,沒有明顯方向性。而滑移區(qū)上堆積了大量的磨屑,這些磨屑可能是摩擦磨損產生的,也可能是從粘著區(qū)排出來的[9-10],如圖7(b)。
2.5.2微裂紋特征分析
微動裂紋一般萌生于粘著區(qū)與滑移區(qū)交界處、微動橋壓腳部位,這些部位應力集中較大,是裂紋萌生的有利處所[11]。由圖8知,方形和菱形路徑下裂紋均萌生于滑移區(qū)且靠近粘著區(qū)的部位,主裂紋面與軸向大致成45°,此部位應力集中嚴重,疲勞裂紋最容易萌生。不過由圖8(a)知,在方形路徑下混合區(qū)內還存在與軸向基本平行的微動裂紋,但沒有引起試樣的最終斷裂,因為:(1)裂紋在與軸向平行的面上擴展阻力比與軸向成45°的面上大;(2)扭轉方向微動磨損程度較軸向嚴重的多,微裂紋可能在微動過程中被擦除。所以最終導致失效的裂紋主要是那些與軸向成45°的裂紋[12-13]。
圖6 方形路徑下的微動斑形貌
圖7 菱形路徑下的微動斑形貌
圖8 不同路徑下的微動斑裂紋
Fig8Freetingspotcrackunderdifferentloadingpaths
2.6微動疲勞斷口形貌特征
2.6.1宏觀斷口形貌特征
圖9是35CrMoA不同路徑下微動疲勞斷口宏觀形貌,其具有一般疲勞斷口的特征,包括裂紋源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)。整個斷口并不是一個與試件軸向垂直的平面,這是由于存在拉扭復合作用,容易出現(xiàn)鋸齒或星狀疲勞斷口,形成形態(tài)各異的臺階。裂紋萌生處發(fā)生明顯氧化使其顏色較暗,是疲勞裂紋最先形成的部位。這是微動疲勞過程中,微動區(qū)域連續(xù)摩擦使試樣表面溫度升高,同時從材料表面剝落的磨屑細小,化學活性高,暴露在空氣中容易氧化[14]。
圖9 35CrMoA斷口宏觀形貌
2.6.2微觀斷口形貌特征
(1) 裂紋源區(qū)微裂紋
圖10是在等效應力幅值為400MPa,接觸應力為150MPa時方形和菱形路徑下的裂紋源區(qū)微裂紋,可以看出,方形加載下的微動疲勞有多個裂紋源,裂紋在微動斑表面形成,垂直于試樣表面擴展。因為試樣與摩擦副反復摩擦,使近表層材料產生嚴重塑性變形,導致表面塑性枯竭,在循環(huán)應力和表面摩擦力的共同作用下,表面材料開裂,形成垂直于表面的微裂紋。這些裂紋源又不處于同一平面,擴展的結果,使各裂紋源之間不斷合并而分割出許多臺階。而菱形加載路徑下的微裂紋是曲折的,這與試樣的受力狀態(tài)有關[15]。
圖10 微動疲勞裂紋源區(qū)的微裂紋
Fig10MicrocracksmorphologyoffreetingfatigueInitiationregion
(2) 裂紋擴展區(qū)的微裂紋
在微動疲勞裂紋的擴展區(qū),除了可以看到疲勞貝紋線外,還可以看到與主裂紋垂直的微裂紋,如圖11是方形和菱形路徑下微動疲勞擴展區(qū)的微裂紋。
圖11 微動疲勞裂紋擴展區(qū)的微裂紋
Fig11Microcracksmorphologyoffreetingfatiguepropagationregion
從圖11(a)中看到,方形路徑下,微裂紋存在于晶界處,且沿晶界擴展。這是由于在扭轉載荷作用下,橫截面上產生的剪切應力不同,距離軸心的距離愈大,剪切應力也愈大,這種應力差導致晶界開裂,產生垂直于主裂紋而平行于軸向的微裂紋。而菱形路徑下,試樣受到拉扭應力的復合作用,使得微裂紋的擴展方向并不垂直于試樣的軸向,而是沿與軸線成一定角度的方向擴展,如圖11(b)。從實驗結果觀測,裂紋擴展的角度大小與軸向拉伸應力和切向剪切應力大小有關[16-17]。
(3) 裂紋瞬斷區(qū)的微裂紋
瞬斷區(qū)是裂紋最后失穩(wěn)形成的斷口區(qū)域,裂紋經過疲勞源及擴展區(qū)后,尺寸達到臨界裂紋尺寸,此時尖端的應力場強度達到材料的臨界斷裂韌度[18]。隨著微動疲勞繼續(xù),裂紋快速擴展直至失效。盡管35CrMoA鋼為韌性材料,但在多軸微動疲勞下,試樣沒有明顯塑性變形,屬于脆斷。圖12(a)是方形路徑下瞬斷區(qū)中的放射線狀斷面,可以發(fā)現(xiàn)放射線狀條紋,其方向隨裂紋擴展而變得彎曲,而放射線就是裂紋擴展包絡線的重合部位,所以放射線方向會隨裂紋擴展而變化。而菱形路徑下,摩擦磨損破壞了材料的完整性,產生局部應力集中,在微動疲勞中后期斷口區(qū)萌生大量的微裂紋,如圖12(b)所示。
圖12 微動疲勞裂紋瞬斷區(qū)的微裂紋
Fig12Microcracksmorphologyoffreetingfatiguedamageregion
(1)35CrMoA鋼在不同路徑下表現(xiàn)出不同程度的循環(huán)軟化,方形加載下,前100周是緩慢軟化,100~250周次是快速軟化,之后到達穩(wěn)定;菱形加載下,前100周疲勞試樣發(fā)生快速循環(huán)軟化,隨后達到穩(wěn)定。
(2)方形和菱形路徑下35CrMoA的疲勞壽命無明顯差異。
(3)35CrMoA微動區(qū)域形貌,粘著區(qū),具有輕微滑擦、碾壓、抹平的痕跡,滑移區(qū)具有明顯的滑動磨損、溝槽的痕跡。方形路徑下的滑移區(qū)較寬,粘著區(qū)相對較窄;菱形路徑下則相反。
(4)35CrMoA微動疲勞斷口形貌特征,方形路徑下裂紋垂直于試樣表面擴展,而菱形加載路徑下的微裂紋是曲折的,沿與軸線成一定角度的方向擴展。
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Thefrettingfatiguebehaviorof35CrMoAundersquareanddiamondpaths
TIANDandan1,HEGuoqiu1,SHENYue1,LIUXiaoshan1,LVShiquan1,LINGuobin2,RENJingdong2,HUJie2
(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,TongjiUniversity,ShanghaiKeyLaboratoryforR&DandApplicationofMetallicFunctionalMaterials,Shanghai201804,China;2.MagneticSuspensionTrafficEngineeringTechnologyResearchCenterofTongjiUniversity,Shanghai201804,China)
Inthispaper,thefrettingfatiguebehaviorof35CrMoAwasstudiedat150MPacontactstressand400MPaequivalentstressamplitudeundersquareanddiamondpaths.Thisincludedcyclestressresponsecharacters,fatiguelife,morphologicalcharacteristicsoffrettingspotandthefailurefracture.Theresultshows:undersquarepath, 35CrMoAreachedthestageofstabilitythroughslowandrapidsoftening,whileunderdiamondpath,itreachedthefinalstageonlythroughrapidsoftening;Thefatiguelifehavelittledifferenceunderthosetwopaths;Undersquarepath,theslipregioniswide,andthestickregionisrelativelynarrow,butoppositeunderdiamondpath;Thecrackextensionperpendiculartothesamplesurfaceundersquarepath,butfordiamondpath,themicrocrackistortuous,andextensiontoacertainanglewithaxis.
35CrMoAsteel;loadingpath;frettingfatigue;frettingspot;fracturemorphology
1001-9731(2016)05-05078-06
“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2013BAG19B01)
2015-09-10
2016-01-10 通訊作者:何國球 ,E-mail:gqhe@#edu.cn
田丹丹(1989-),女,山東菏澤人,在讀碩士,師承何國球教授,從事金屬材料疲勞與失效研究 。
TG146.2+1
A
10.3969/j.issn.1001-9731.2016.05.014