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(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州510640；2.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，佛山528333；3.佛山市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測中心，佛山 528225)

0 引 言

在現(xiàn)代工業(yè)中，許多零部件承受疲勞載荷的循環(huán)次數(shù)達(dá)到105～1010周次(高周和超高周)，而常規(guī)疲勞性能(循環(huán)次數(shù)小于107周次)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足其安全性的要求[1-2]，因此迫切需要研究這些零部件所用材料的高周與超高周疲勞性能。超聲疲勞試驗(yàn)是一種被廣泛用于研究材料高周與超高周疲勞性能的試驗(yàn)方法[3-4]。

目前，許多研究者對鐵基粉末冶金合金的疲勞行為進(jìn)行了研究，一般認(rèn)為孔隙、顯微組織、夾雜物以及殘余應(yīng)力對合金的疲勞性能有較大的影響[5-7]；但是采用超聲疲勞試驗(yàn)研究粉末冶金材料高周與超高周疲勞行為的報(bào)道不多。DANNINGER等[8]對Fe-Mo-C燒結(jié)鋼進(jìn)行了109周次的疲勞性能測試，結(jié)果表明燒結(jié)鋼中孔隙率的增大會造成其疲勞性能的降低，而適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢蕴岣咂涑咧芷谛阅?；LU等[9-10]對Fe-Cu-Ni-Mo-C系和Fe-Mn-Cu-C系粉末冶金合金進(jìn)行了超聲疲勞性能研究，發(fā)現(xiàn)Fe-Cu-Ni-Mo-C系合金的拉壓超聲疲勞強(qiáng)度高于Fe-Mn-Cu-C系合金的，表面噴丸強(qiáng)化處理可提高Fe-Cu-Ni-Mo-C系合金的超聲疲勞性能。

在鐵基合金中，鉻元素可以提高合金的淬硬性、強(qiáng)度，且對粉末的壓縮性能影響不顯著；鉻元素的成本較低、資源豐富，是替代鎳、鉬等貴金屬的理想選擇。因此，含鉻鐵基合金引起了越來越多研究者的關(guān)注。但是，添加過多的鉻元素會降低粉末的壓縮性能，同時(shí)由于鉻對氧極其敏感，在霧化和燒結(jié)過程中易于被氧化，從而導(dǎo)致含鉻鐵基粉末冶金合金的應(yīng)用并不廣泛。目前，有關(guān)含鉻鐵基粉末冶金合金的研究主要集中在開發(fā)新的含鉻鐵基合金上，國內(nèi)鉻主要以較高鉻含量的CrFe粉的方式添加，但其強(qiáng)化效果并不明顯，合金的綜合性能比較差。為此，作者通過在基粉中添加工業(yè)上廣泛應(yīng)用的430L不銹鋼粉的形式引入鉻元素，并采用適當(dāng)?shù)臒Y(jié)工藝制備了Fe-1.65Ni-1.4Cu-1.0Cr-0.5Mo-0.6C含鉻鐵基合金，之后進(jìn)行了燒結(jié)硬化和回火熱處理，研究了該合金在105～108循環(huán)周次下的彎曲疲勞行為，并觀察了其疲勞斷口形貌。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用基粉為部分?jǐn)U散預(yù)合金粉Fe-1.75Ni-1.5Cu-0.5Mo(粒徑小于150 μm)，在基粉中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%的石墨粉(粒徑小于25 μm)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.13%的430L不銹鋼粉(粒徑小于25 μm)，得到名義成分為Fe-1.65Ni-1.4Cu-1.0Cr-0.5Mo-0.6C的混合粉。將混合粉在V型混料機(jī)中混合2 h，然后在TH-60T型快速油壓機(jī)上進(jìn)行雙向冷壓成形，壓力為680 MPa，并用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%HW微蠟粉酒精溶液對模壁進(jìn)行潤滑；將壓制好的生坯放入工業(yè)鉬絲爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)氣氛為分解氨氣，壓力為0.1 MPa，燒結(jié)溫度為1 250 ℃，燒結(jié)時(shí)間為1 h；將高溫?zé)Y(jié)后的試樣在900 ℃保溫0.5 h后快速推入冷水套中，以1.5～2.0 ℃·s-1的冷卻速率進(jìn)行硬化處理，再在電阻爐中進(jìn)行180 ℃×1.5 h的回火處理。

在試驗(yàn)合金上截取金相試樣，經(jīng)粗磨、精磨、拋光，采用體積分?jǐn)?shù)2%的硝酸酒精溶液腐蝕，用酒精清洗并吹干后在Lecia DMI 5000M型光學(xué)顯微鏡上觀察顯微組織；按照GB/T 5163-1985，采用阿基米德排水法測試驗(yàn)合金的生坯密度和燒結(jié)密度；按照GB/T 230.1-2009，采用TH320型全洛氏硬度計(jì)測試驗(yàn)合金的硬度。按照GB/T 7963—1987和GB/T 228.1-2010，采用CMT5105型100 kN萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測試，拉伸試樣的標(biāo)距為16.8 mm，拉伸速度為2 mm·min-1。

在圖1所示的超聲彎曲疲勞試驗(yàn)裝置上進(jìn)行三點(diǎn)對稱彎曲超聲疲勞試驗(yàn)，該試驗(yàn)裝置的系統(tǒng)頻率為(20±0.5) kHz，輸出波形為正弦諧振波，應(yīng)力幅范圍為50～600 MPa，應(yīng)力比為-1，試驗(yàn)過程中進(jìn)行水冷。超聲彎曲疲勞試樣的尺寸是根據(jù)其密度、彈性模量和系統(tǒng)的頻率，通過計(jì)算與有限元分析獲得的[11]，如圖2所示，這是因?yàn)樵嚇拥墓逃蓄l率必須處在系統(tǒng)頻率的范圍之內(nèi)才能產(chǎn)生超聲共振。超聲彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)束后，采用FEI-quanta2000型掃描電鏡(SEM)觀察疲勞斷口形貌。

圖1 超聲彎曲疲勞試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Diagram of ultrasonic bending fatigue testing equipment

圖2 超聲彎曲疲勞試樣的形狀與尺寸Fig.2 Shape and dimension of ultrasonic bending fatigue specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織、密度和力學(xué)性能

由圖3可以看出，試驗(yàn)合金的顯微組織主要由回火馬氏體、殘余奧氏體以及少量貝氏體組成，貝氏體分布在殘余奧氏體的周圍，且由于回火溫度較低，回火馬氏體基本保持著淬火馬氏體的形態(tài)。

圖3 試驗(yàn)合金的顯微組織Fig.3 Microstructure of the tested alloy: (a) at low magnification and (b) at high magnification

由表1可知，試驗(yàn)合金的燒結(jié)密度較高，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了958 MPa，因此試驗(yàn)合金是一種高強(qiáng)度合金。

表1 試驗(yàn)合金的物理與力學(xué)性能Table 1 Physical and mechanical properties ofthe tested alloy

2.2 彎曲疲勞性能

采用Basquin方程對試驗(yàn)合金在105～108周次范圍內(nèi)的超聲彎曲疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，Basquin方程表達(dá)式為

σa=f(2Nf)b

(1)

式中：σa為應(yīng)力幅，MPa；f為超聲疲勞強(qiáng)度系數(shù)，經(jīng)計(jì)算，該值取4 279.2；b為超聲疲勞強(qiáng)度指數(shù)，經(jīng)計(jì)算，該值取-1.49；Nf為疲勞循環(huán)次數(shù)，周次。

由圖4可以看出，試驗(yàn)合金的彎曲疲勞曲線在105～108周次之間是連續(xù)下降的，在循環(huán)次數(shù)達(dá)到107周次后，其彎曲疲勞曲線并無水平平臺，這表明在低應(yīng)力幅作用下，試驗(yàn)合金仍會發(fā)生疲勞斷裂，這可能與試驗(yàn)合金中存在的孔隙有關(guān)。

圖4 試驗(yàn)合金的高周與超高周彎曲疲勞曲線Fig.4 High cycle and ultra-high cycle bending fatigue curve of the tested alloy

圖5 應(yīng)力幅為592 MPa下疲勞斷口裂紋源區(qū)的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of crack source region of fatigue fracture under the stress amplitude of 592 MPa: (a) at low magnification and (b) at high magnification

2.3 彎曲疲勞斷口形貌

2.3.1 裂紋源區(qū)

圖6 應(yīng)力幅為241 MPa下疲勞斷口裂紋源區(qū)的SEM形貌Fig.6 SEM morphology of crack source region of fatigue fracture under the stress amplitude of 241 MPa: (a) at low magnification and (b) at high magnification

由圖5和圖6可以看出：兩種試驗(yàn)條件下試驗(yàn)合金疲勞斷口上的裂紋都表現(xiàn)為多源萌生，但裂紋萌生的位置不同，在高應(yīng)力幅作用下，裂紋在試驗(yàn)合金表面與次表面的缺陷處萌生，而在低應(yīng)力幅作用下，裂紋主要在試驗(yàn)合金內(nèi)部的缺陷處萌生；裂紋源區(qū)都比較光滑平整，這是由超聲振動條件下，疲勞裂紋源區(qū)經(jīng)過長時(shí)間的反復(fù)磨損所形成的。

孔隙是燒結(jié)材料中疲勞裂紋萌生的主要位置，因此提高燒結(jié)密度，降低孔隙率是提高燒結(jié)材料疲勞性能的重要途徑。由目前的疲勞裂紋萌生理論可知，疲勞裂紋往往在零部件的表面萌生，這是因?yàn)楫?dāng)零部件承受彎曲、扭轉(zhuǎn)或組合應(yīng)力時(shí)，其表面應(yīng)力是最大的，即使是在拉應(yīng)力作用下，由于表面不受約束，塑性變形較容易進(jìn)行，也使得表面更易萌生裂紋[12]。粉末冶金合金零部件內(nèi)部存在較多的孔隙，交變載荷易使孔隙銳角處形成應(yīng)力集中；在低應(yīng)力幅作用下，交變載荷的循環(huán)次數(shù)較多，更易于使孔隙銳角處不斷發(fā)生塑性變形而形成循環(huán)硬化；當(dāng)局部應(yīng)力超過合金的強(qiáng)度極限時(shí)，便會產(chǎn)生微裂紋，從而導(dǎo)致裂紋在合金內(nèi)部萌生。

由圖5和圖6還可以看出，疲勞裂紋源區(qū)有許多扇形分布的疲勞臺階，并存在大量短小且不連續(xù)的亮白色撕裂棱和準(zhǔn)解理小刻面，且高應(yīng)力幅作用下試驗(yàn)合金表面棱角上的裂紋源區(qū)更加平坦，為主裂紋源區(qū)，而次表面缺陷處為次裂紋源區(qū)。

2.3.2 裂紋擴(kuò)展區(qū)

由圖7和圖8可以看出，裂紋擴(kuò)展區(qū)都有明顯的疲勞輝紋特征。疲勞輝紋是裂紋在循環(huán)應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展所形成的，應(yīng)力每循環(huán)1周次便會在裂紋前端形成一條輝紋。疲勞輝紋間隔的大小表明疲勞裂紋擴(kuò)展速率的快慢，間距越大說明1個(gè)循環(huán)周次下疲勞裂紋擴(kuò)展的距離越大，即擴(kuò)展速率越快。在高應(yīng)力幅作用下，裂紋擴(kuò)展區(qū)粗糙不平，存在許多高低不同、大小不等的光滑解理面，河流花樣狀解理面以及少量韌窩和疲勞輝紋，疲勞輝紋的間距較大，裂紋的擴(kuò)展速率較快。在低應(yīng)力幅作用下，裂紋擴(kuò)展區(qū)中的韌窩數(shù)量減少，疲勞輝紋間距變小，裂紋的擴(kuò)展速率較慢。

圖7 應(yīng)力幅為592 MPa下裂紋擴(kuò)展區(qū)的SEM形貌Fig.7 SEM morphology of crack propagation region under the stress amplitude of 592 MPa

圖8 應(yīng)力幅為305 MPa下裂紋擴(kuò)展區(qū)的SEM形貌Fig.8 SEM morphology of crack propagation region under the stress amplitude of 305 MPa

圖9 應(yīng)力幅為592 MPa下瞬斷區(qū)的SEM形貌Fig.9 SEM morphology of rapid fracture region under the stress amplitude of 592 MPa

圖10 應(yīng)力幅為241 MPa下瞬斷區(qū)的SEM形貌Fig.10 SEM morphology of rapid fracture region under the stress amplitude of 241 MPa

2.3.3 瞬斷區(qū)

由圖9可以看出，在高應(yīng)力幅作用下，瞬斷區(qū)主要由河流花樣解理面和小韌窩組成，這說明試驗(yàn)合金主要發(fā)生脆性斷裂，并存在局部塑性變形。由圖10可以看出，與高應(yīng)力幅作用下的相比，在低應(yīng)力幅作用下，瞬斷區(qū)中的解理斷裂區(qū)域變大而韌窩數(shù)量減少，這說明斷裂時(shí)試驗(yàn)合金的塑性變形較小，脆性斷裂的特征更為明顯。由此可知，材料的塑性變形在一定程度上可以提高其抗疲勞性能。

3 結(jié) 論

(1) Fe-1.65Ni-1.4Cu-1Cr-0.5Mo-0.6C粉末冶金合金的組織主要由回火馬氏體、殘余奧氏體以及少量貝氏體組成；試驗(yàn)合金的超聲彎曲疲勞曲線是連續(xù)下降的，沒有出現(xiàn)疲勞平臺。

(2) 試驗(yàn)合金的超聲彎曲疲勞裂紋都為多源萌生，在高應(yīng)力幅作用下，裂紋在試驗(yàn)合金表面和次表面的缺陷處萌生，而在低應(yīng)力幅作用下，裂紋主要在內(nèi)部缺陷處萌生。

(3) 疲勞輝紋是疲勞斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)的主要特征，在高應(yīng)力幅作用下，裂紋擴(kuò)展區(qū)主要由解理面以及少量韌窩、疲勞輝紋組成，疲勞輝紋的間距較大，裂紋擴(kuò)展速率較快；在低應(yīng)力幅作用下，裂紋擴(kuò)展區(qū)的韌窩數(shù)量減少，疲勞輝紋間距變小，裂紋擴(kuò)展速率較慢。

(4) 試驗(yàn)合金瞬斷區(qū)主要由解理面和小韌窩組成，合金主要發(fā)生脆性斷裂，并存在局部塑性變形；與高應(yīng)力幅作用下的相比，在低應(yīng)力幅作用下，瞬斷區(qū)中的河流花樣解理面增多，韌窩數(shù)量減少，脆性斷裂特征更加明顯。