劉麗玉，孔煥平，江志華，高翔宇

(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京100095；2.航空工業(yè)失效分析中心，北京100095；3.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京100095；4.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京100095)

0　引言

C250鋼是一種含18%Ni的馬氏體時效超高強度鋼，該鋼屈服強度高(1 700 MPa)，和傳統(tǒng)鋼的區(qū)別在于他通過冶金反應來硬化，而與碳無關，在國外常作為軸類零件的主要材料[1-2]。與其他同強度的鋼比，C250鋼不僅強度高，同時韌性好，是現(xiàn)有材料中具有較高韌性的鋼種。C250鋼在火箭、導彈發(fā)動機殼體、高性能軸和高性能齒輪等構件上具有很大的應用前景[3]。

作為軸類零件材料，扭轉疲勞是最重要的一類失效模式[4-7]。材料和零件的斷裂特征反映了整個斷裂過程中的相關信息，包括受力狀態(tài)、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)以及組織結構等，因此斷裂特征的宏、微觀形貌與特定的斷裂機制相關。斷裂特征研究是研究材料斷裂過程和斷裂失效原因的重要方法[8]。C250作為一種特殊的鋼種，由于其自身材料的特性，其斷裂行為也與普通的鋼種存在一定的差異。而在工程應用上，由于對一些特殊鋼種的斷裂特征缺乏研究，對于實際應用中出現(xiàn)的問題有時也存在失效模式判斷不清的現(xiàn)象。目前，針對材料的扭轉疲勞的研究主要集中在性能的研究上[9-10]，而對性能與斷裂行為之間的關系研究較少。對C250鋼在不同應力比、不同循環(huán)壽命下的缺口扭轉疲勞斷裂特征進行分析，探討C250鋼缺口扭轉疲勞的斷裂特征和規(guī)律。

1　試驗材料與方法

試驗材料化學成分見表1。熱處理工藝參數(shù)為：820 ℃/1 h、空冷+480 ℃/6 h、空冷。其組織特征見圖1，為細小的板條狀馬氏體組織。缺口扭轉疲勞試驗采用圖2所示圓棒試樣，試驗在MTS809扭轉試驗機上完成，試驗溫度為室溫(20 ℃)，選用缺口系數(shù)Kt=3，分別在應力比R=0.1、0.5和-1下，進行不同應力下的缺口扭轉疲勞試驗。試驗后的斷口采用DM2000體式顯微鏡和JSM5600LV掃描電鏡進行宏、微觀分析。

表1　C250鋼的主要化學成分 (質(zhì)量分數(shù) /%)Table 1　Chemical composition of C250 steel (mass fraction /%)

圖1　C250鋼金相組織Fig.1　Metallographic structure of C250 steel

2　試驗結果與討論

在3種應力比、不同應力下C250鋼缺口扭轉疲勞試驗結果循環(huán)周次在103～106級。選擇代表循環(huán)壽命級別分別為103、104、105和106級下的斷口特征進行分析研究。

2.1　C250鋼缺口扭轉疲勞斷口宏觀形貌類型

室溫、Kt=3、不同應力比、不同切應力下C250鋼缺口扭轉疲勞斷口宏觀特征見圖3～圖5。

從圖3可知，應力比R=0.1的缺口扭轉疲勞試驗斷口，根據(jù)不同的切應力水平呈現(xiàn)出3類不同的斷裂形貌：1)循環(huán)周次接近106級的斷口，如τmax=370 MPa、Nf=9.341×105斷口，宏觀呈現(xiàn)2個與軸向約呈45°方向的大斜面，斜面之間存在一處面積較小的平斷面。斜面上的斷裂特征可見明顯的擴展棱線，而平斷面上的斷裂特征呈現(xiàn)磨損發(fā)亮的小臺階形貌。2)循環(huán)周次在105級的斷口，如τmax=440 MPa、Nf=3.772×105斷口，宏觀呈現(xiàn)一個整體與軸向垂直的斷面，但這個斷面起伏較大，斷面上呈現(xiàn)出由許多個從四周缺口根部往中心斜向擴展的小斜面形成的溝壑形貌。3)循環(huán)周次在104級的斷口和循環(huán)周次在103級的斷口，如τmax=550 MPa、Nf=1.923 7×104和τmax=920 MPa、Nf=1.698×103的斷口，宏觀均呈現(xiàn)一個與軸向垂直的斷面，且相比于循環(huán)周次105級的斷口，這類斷口斷面整體平整，四周可見磨損發(fā)亮的扭轉棱線，中間偏一側為近似圓形的發(fā)暗區(qū)——纖維斷裂區(qū)。

圖2　室溫缺口扭轉疲勞試樣規(guī)格Fig.2　Dimension of torsional specimen

為便于描述，按照宏觀表現(xiàn)形貌，分別將上述3類斷裂形貌的斷口記為斜面狀斷口、棘輪狀斷口和平面狀斷口。

圖3　室溫、Kt=3、R=0.1時缺口扭轉疲勞斷口宏觀形貌Fig.3　Macro feature of notch torsional high-cycle fatigue at different RT，Kt=3，R=0.1

從圖4可知，應力比R=0.5的缺口扭轉疲勞斷口呈現(xiàn)2類斷裂形貌：1)循環(huán)周次在106、105級的斷口，如τmax=620 MPa、Nf=4.583×106和τmax=780 MPa、Nf=1.968×105的2個斷口，為前所描述的棘輪狀斷口特征，且循環(huán)次數(shù)為106級的斷口比105級的斷口溝壑更少，即說明循環(huán)周次在105級的斷口棘輪狀特征尤為典型，與R=0.1下的宏觀特征變化趨勢一致。2)循環(huán)周次為104、103級的斷口，如τmax=780 MPa、Nf=4.803×104和τmax=1 000 MPa、Nf=1.425×103的斷口，則為前所描述的平面狀斷口特征，且隨著循環(huán)次數(shù)降低，中心纖維區(qū)平面所占的面積增大。

從圖5可知，應力比R=-1(R<0)的缺口扭轉疲勞斷口呈現(xiàn)2類斷裂形貌：1)循環(huán)周次105級的斷口，如τmax=220 MPa、Nf=8.622×105下的試樣斷口呈現(xiàn)鋸齒狀。2)循環(huán)周次104級的斷口和循環(huán)周次103級的斷口，如τmax=270 MPa、Nf=1.454×104和τmax=400 MPa、Nf=7.047×103的2個斷口,呈現(xiàn)如前所描述的平面狀斷口形貌，但與R>0的斷口相比，由于受到雙向交變應力作用，靠邊緣的周向扭轉平面更為粗糙。

圖4　室溫、Kt=3、R=0.5時缺口扭轉疲勞斷口宏觀形貌Fig.4　Macro feature of notch torsional high-cycle fatigue at RT，Kt=3，R=0.5

2.2　C250鋼缺口扭轉疲勞斷口特征

從宏觀分析結果可知，3個應力比、不同應力下，C250鋼缺口扭轉疲勞斷口按斷口形狀可以歸納為4類，這4類形狀下的斷口其起源和裂紋擴展具有各自的特點：

1)斜面狀斷口。

以τmax=370 MPa，Nf=9.341×105的斷口為例，斜面狀斷口上2個大擴展斜面各自起源于缺口表面，均沿與軸向約呈45°的方向擴展，而在2個斜面之間的面積較小的平斷面上的缺口表面，也可見多條與軸向呈一定角度的斜裂紋，斜裂紋角度及擴展方向與大斜面上的角度類似，說明斜面狀斷口上起源集中在試棒一側的缺口表面，每一條斜裂紋對應一個起源，疲勞的擴展主要以其中的1～2條裂紋為主，從而呈現(xiàn)出由1～2個斜斷面為主的斷口形貌。2個大斜面上微觀可見典型的疲勞條帶特征，斜斷面的擴展后期為瞬斷區(qū)，可見拉長韌窩形貌；2個斜面之間的斜裂紋區(qū)以磨損特征為主(圖6)。因此，C250鋼缺口扭轉疲勞的斜面狀斷口特征為：扭轉疲勞裂紋從缺口一側的表面多源起源，每個起源處的裂紋均沿同側的與軸向約呈45°的方向擴展，但以少數(shù)的裂紋擴展為主，呈現(xiàn)斜面狀斷口特征，且斷口上的斜面擴展區(qū)可見典型的疲勞條帶特征。

圖5　室溫、Kt=3、R=-1時缺口扭轉疲勞斷口宏觀形貌Fig.5　Macro feature of notch torsional high-cycle fatigue at RT,Kt=3，R=-1

圖6　斜面狀斷口疲勞擴展區(qū)和瞬斷區(qū)微觀特征Fig.6　Micro features of inclined fracture

2)棘輪狀斷口。

棘輪狀斷口，如R=0.1、τmax=440 MPa、Nf=3.772×105的斷口，由多個由缺口表面往試樣中心放射的多個斜面組成，每個斜面對應一個起源和擴展，與斜面狀斷口類似，斜面上微觀可見典型的疲勞條帶；斜裂紋之間也存在與軸向垂直的平斷面，微觀呈現(xiàn)扭轉磨損特征(圖7)。因此，C250鋼缺口扭轉疲勞的棘輪狀斷口特征為：扭轉疲勞裂紋從四周缺口表面多源起源，每個起源處的裂紋均沿同側的與軸向約呈45°的方向擴展，且大多起點上的裂紋擴展均勻，當每一處起源位置的裂紋擴展到一定程度，最后連接部分破斷而形成棘輪狀斷口。與斜面狀斷口類似，斜面擴展區(qū)可見典型的疲勞條帶特征。

圖7　缺口扭轉疲勞棘輪狀斷口微觀特征Fig.7　Micro features of of ratcheting fracture

3)鋸齒狀斷口。

鋸齒狀斷口，如R=-1、τmax=220 MPa，Nf=8.622×105的斷口，與棘輪狀斷口類似，起源于四周缺口也可見多個斜面，扭轉疲勞裂紋從四周缺口表面多源起源，但與棘輪狀的斷口不同的是，由于受雙向交變應力作用，缺口表面各點起源后，裂紋分別沿著±45°的2個側斜方向擴展，連鄰裂紋相交后形成鋸齒狀斷口(圖8)。

圖8　缺口扭轉疲勞鋸齒狀斷口起源位置Fig.8　Origin and expansion of the notched torsional fatigue sawtooth fracture

4)平面狀斷口。

平面狀斷口整個斷面平整，與軸向垂直。斷口分為2個區(qū)：斷口四周的環(huán)狀區(qū)和中心偏一側的圓形區(qū)。不同的平面狀斷口，圓形區(qū)在整個斷口面積所占的比例不一(圖9)。環(huán)狀區(qū)斷面上磨損發(fā)亮，可見周向扭轉擴展棱線，為斷口的疲勞區(qū)。圓形區(qū)微觀為韌窩斷裂特征，為斷口的瞬斷區(qū)。平面狀斷口的疲勞裂紋從試棒圓周缺口根部起始，沿周向螺旋狀扭轉擴展，微觀呈現(xiàn)摩擦磨損特征及二次裂紋形貌，未見典型的疲勞條帶。其中R=0.1、τmax=550 MPa、Nf=1.924×104的斷口在缺口一處起源位置可見高差臺階，臺階處可見類似棘輪狀斷口起源位置的斜裂紋，但斜裂紋較短，擴展不充分，整個斷口上仍呈現(xiàn)以扭轉拉應力為主的擴展平面特征(圖10)。

圖9　平面狀斷口宏觀形貌Fig.9　Macro features of plane fracture

圖10　平面狀斷口微觀形貌Fig.10　Micro features of plane fracture

2.3　C250鋼缺口扭轉疲勞斷裂規(guī)律及特點

不同應力比、不同切應力下的C250鋼缺口扭轉疲勞斷口特征研究表明：

1)3種應力比下，C250鋼缺口扭轉疲勞斷口的宏觀特征按不同的循環(huán)周次可大致分為4類斷口形貌：第1類為斜面狀斷口，出現(xiàn)在應力比R>0、高循環(huán)周次下的斷口上，如應力比R=0.1、循環(huán)周次為106級的斷口；第2類為棘輪狀斷口，出現(xiàn)在應力比R>0、中循環(huán)周次下的斷口上，如應力比R為0.1和0.5、循環(huán)周次為105級的斷口；第3類為鋸齒狀斷口，出現(xiàn)在應力比R<0、中高循環(huán)周次下的斷口上，如應力比R=-1、循環(huán)周次為105級的斷口；第4類為平面狀斷口，出現(xiàn)在各種應力比下、低循環(huán)周次下的斷口上，如循環(huán)周次為104和103級的斷口。

2)斷口隨著切應力大小的演變規(guī)律為：應力比R>0時，不同切應力下的C250鋼缺口扭轉疲勞斷口隨著循環(huán)周次的降低，斷裂形貌呈現(xiàn)出由斜面狀斷口發(fā)展為棘輪狀斷口和平面狀斷口的趨勢；應力比R<0時，一般不出現(xiàn)斜面狀斷口，隨著循環(huán)周次的降低，斷裂形貌呈現(xiàn)出由鋸齒狀斷口發(fā)展為棘輪狀斷口和平面狀斷口。

3)C250鋼缺口扭轉疲勞裂紋疲勞起源均為多源，但不同應力下(即不同的循環(huán)周次下)的斷口表現(xiàn)出不同的起源和擴展特征。低應力、高循環(huán)周次下的斜面狀斷口，起源雖為多源，但起源集中在缺口一側，且以1～2處起源擴展為主，呈現(xiàn)1～2個擴展大斜面特征。對于棘輪狀斷口和鋸齒狀斷口，則分別出現(xiàn)在應力比R>0和R<0的中高循環(huán)周次斷口上，因為應力比R>0時，是在單向交變扭轉應力作用下，起源處的裂紋只能沿一個方向的45°傾斜擴展，而應力比R<0時，在雙向交變扭轉應力作用下，各起源處的裂紋沿著±45°的2個側斜方向擴展。高應力下的平面狀斷口以平面擴展為主。分析認為：低的名義應力下，疲勞裂紋優(yōu)先集中在一個小范圍區(qū)域的缺口根部起源，在切應力作用下，萌生多條沿著與軸向約呈45°方向斜裂紋，并擇優(yōu)以少數(shù)的幾條(1～2條)裂紋擴展為主，形成1～2個擴展大斜面，由于在斜面上的擴展特征未受到扭轉磨損作用，斜面的擴展區(qū)上可看到典型的疲勞條帶特征。當名義應力升高，疲勞裂紋源區(qū)逐漸分散到整個圓周方向，從四周缺口根部萌生許多斜裂紋，往中心擴展，且由于這些裂紋擴展速率相差不大，將軸向斷面劃分成均勻臺階斜面，形成棘輪狀斷口和鋸齒狀斷口。當名義應力繼續(xù)升高，試棒四周缺口表面主要在拉應力作用下，萌生裂紋并沿圓周方向擴展，整個斷口呈現(xiàn)周向的扭轉磨損特征，由于磨損較重以及循環(huán)次數(shù)較低，斷口上一般觀察不到典型的疲勞條帶。

3　結論

1)C250鋼缺口扭轉疲勞斷口按宏觀特征可大致分為斜面狀、棘輪狀、鋸齒狀和平面狀等4類斷口形貌。斜面狀和棘輪狀斷口一般出現(xiàn)在應力比R>0、循環(huán)周次在105級以上的斷口上；鋸齒狀斷口一般出現(xiàn)在應力比R<0、循環(huán)周次在105級以上的斷口上；平面狀斷口一般出現(xiàn)在循環(huán)周次在各種應力比下、104級及以下的斷口上。

2)C250鋼缺口扭轉疲勞斷裂行為：斜面狀斷口的疲勞從一側的缺口表面多源起源，往另一側擴展發(fā)生斷裂；其他3類斷口的疲勞從試棒四周的缺口表面多源起源。棘輪狀斷口每個起源處的裂紋均沿同側的與軸向約呈45°的方向擴展，鋸齒狀斷口每個起源后分別沿著±45°的2個側斜方向擴展；平面狀斷口不出現(xiàn)斜面特征，從缺口四周起源后，沿周向螺旋狀扭轉拉伸狀擴展。

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