郝建云

懸彎疲勞裂紋擴展研究

郝建云

（智奇鐵路設備有限公司研發(fā)中心，山西 太原 030032）

通過將某牌號鋼加工成懸彎試樣，對試樣進行滴水懸彎疲勞試驗，觀察疲勞裂紋的擴展規(guī)律，利用3D超景深顯微觀察系統(tǒng)觀察表面裂紋，對比循環(huán)次數(shù)和裂紋長度，研究該牌號鋼在腐蝕環(huán)境下的裂紋擴展速度。

疲勞試驗；滴水；裂紋擴展；腐蝕坑

零部件和設備在正常的使用過程中經(jīng)常會受到循環(huán)加載的作用力，或者在一定頻率的振動工況中工作。這樣零部件在受到循環(huán)應力的作用時，在零部件的表面或者表面淺層會出現(xiàn)微小裂紋，隨著循環(huán)應力的繼續(xù)作用，微小裂紋會發(fā)展成為宏觀裂紋，在循環(huán)應力的繼續(xù)作用下裂紋進一步擴展，最終直到完全斷裂，使零部件失效而喪失了使用功能[1]。

1 實驗

將某牌號鋼制備成如圖1所示的試樣，試樣表面分別采用600#、1000#和1800#砂紙對試樣依次打磨，打磨呈光亮狀態(tài)，消除試樣表面機加工刀痕，打磨完成后的試樣及表面狀態(tài)如圖2所示。疲勞試樣鋼的力學性能如表1所示。采用懸彎疲勞試驗機對試樣加載對稱循環(huán)應力，疲勞試驗機如圖3所示。懸彎疲勞試驗機使用砝碼進行加載，加載力矩為240 MPa，轉速為3 000 r/min，應力循環(huán)如圖4所示，在做疲勞試驗的整個過程中，試樣表面持續(xù)滴去離子水，去離子水為pH=6.7的中性水，滴水頻率保持在15滴/分鐘。

圖1 疲勞試樣加工圖（單位：mm）

圖2 疲勞試驗前試樣表面狀態(tài)

表1 疲勞試樣鋼的力學性能

疲勞極限數(shù)值 F1≥200 N/mm2 F2≥80 N/mm2 RfL≥250 N/mm2 RfE≥170 N/mm2 q=RfL/RfE≤1，47

圖3 疲勞試驗設備

圖4 循環(huán)應力示意圖

2 實驗結果與討論

疲勞試驗試樣表面裂紋擴展過程如圖5所示，試驗過程一直維持滴水狀態(tài)。

圖5（a）為經(jīng)過30萬次循環(huán)應力后表面狀態(tài)，出現(xiàn)直徑為Φ6～12 μm的圓形點蝕形貌，表面基本沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。圖5（b）為經(jīng)過170萬次循環(huán)應力后的表面狀態(tài)，點蝕坑直徑增大到Φ19 μm，表面出現(xiàn)明顯的裂紋形貌，裂紋長度為200 μm。圖5（c）為經(jīng)過270萬次循環(huán)應力后表面狀態(tài)，出現(xiàn)了大量的點蝕坑，表面出現(xiàn)的裂紋明顯增多，所有的裂紋均從腐蝕坑或者點蝕坑沿著旋轉方向擴展，裂紋長度分布在605～955 μm的范圍內。

零部件的疲勞失效現(xiàn)象的發(fā)生可分為3個階段：①第一階段為微裂紋的產生階段。在循環(huán)應力的作用下，零部件的表面或者近表面的晶粒受到的內部約束較少，位錯容易受到循環(huán)應力的作用而溢出或者引發(fā)晶?；?，金屬表面抵抗塑性變形的能力較弱，細微的微觀裂紋很容易產生。此試驗中，滴水使試樣表面產生點蝕坑，同樣為表面裂紋產生提供了條件。②第二階段為宏觀裂紋擴展階段。由于點蝕坑或者腐蝕坑在金屬表面產生，裂紋隨著循環(huán)應力的不斷進行，沿著與主應力垂直的方向（試樣的圓周方向）擴展，如圖5和表2所示，在試樣橫截面上產生了6～12 μm的裂紋。③第三階段為疲勞斷裂失效階段。當裂紋逐步擴展直至零部件不足以抵抗循環(huán)載荷時，零部件就會突然斷裂失效。

（a）30萬次循環(huán)應力后表面狀態(tài)

（b）170萬次循環(huán)應力后表面狀態(tài)

（c）270萬次循環(huán)應力后表面狀態(tài)

表2 疲勞試驗試樣表面裂紋長度

旋轉次數(shù)/轉點蝕坑直徑/μm裂紋長度L/μm 306~12無 17019200 270—605～955

試樣表面的疲勞裂紋的產生和擴展機理與其表面的微觀狀態(tài)、裂紋的力學狀態(tài)、微觀顯微組織結構等多方面的因素有關。當試樣受到循環(huán)應力后，伴隨著滴水的進行，試樣表面從點蝕坑處開始出現(xiàn)裂紋，并且沿著切變方向（圓周方向）擴展。裂紋的產生從微觀角度分析，可以理解為表面或者近表面首先產生滑移帶開裂，滑移產生微小裂紋后隨著循環(huán)載荷的繼續(xù)進行，表面或近表面位錯的數(shù)量不斷增加，當位錯的數(shù)量增大到一定值時，有些距離很近的位錯會結合到一起形成較大的位錯，距離較遠的位錯暫時沒有結合到一起。這樣，在材料內部近表面處形成了位錯不均勻現(xiàn)象，有的區(qū)域位錯數(shù)量少但是單個位錯體積相對較大，有的區(qū)域位錯數(shù)量多但是單個位錯體積小，這些位錯在循環(huán)應力的作用下相互影響、相互作用，在循環(huán)應力持續(xù)的作用下，滑移帶增長到一定程度后發(fā)展成為微小裂紋，微小裂紋進一步發(fā)展成為相對的大裂紋，實現(xiàn)了裂紋的生長[2]。對于滑移帶的生長，從微觀上觀察，隨著循環(huán)應力的持續(xù)作用，微觀形貌較小的滑移帶一方面會產生位移，另一方面也會繼續(xù)生長。當循環(huán)應力作用足夠長時間后，滑移帶生長成為滑移線。

表面的點蝕部位為應力集中區(qū)域，極易產生滑移帶。在循環(huán)應力及滴水工況的持續(xù)作用下，金屬表面的點蝕區(qū)域為位錯的運動和滑移帶的產生提供了有力條件，當滑移線產生后，循環(huán)應力繼續(xù)作用，滑移線不斷增多，逐漸形成滑移線與滑移線連接的現(xiàn)象。而未連接的滑移帶或滑移線不斷被循環(huán)應力拉伸或擠壓。從微觀上看，當滑移帶或滑移線擠入或擠出晶界的界面時，這些剩下的滑移帶逐漸轉變成滑移線。微觀裂紋就是由這些滑移帶不斷生長產生的，并在材料表面或近表面形成微觀裂紋，當這種微觀裂紋足夠深時，便形成了初始的宏觀裂紋。

初始的宏觀裂紋形成后，金屬表面和近表面仍然存在未形成裂紋的位錯、滑移帶或滑移線，這些位錯在循環(huán)應力作用下繼續(xù)結合，滑移帶繼續(xù)生長成為滑移線，滑移線繼續(xù)生長為微觀裂紋，最終微觀裂紋不斷擴展生長成宏觀裂紋，宏觀裂紋不斷擴展、連接，最終在循環(huán)交變載荷作用下形成主裂紋，主裂紋最大剪切應力面快速擴展。

隨著裂紋的擴展，當主裂紋的長度大于臨界裂紋極限時，裂紋擴展由生長階段進入斷裂階段。在此階段中，隨著有效承載截面的減小，一旦截面有效承載力小于施加的載荷時，就會發(fā)生疲勞斷裂現(xiàn)象。可以看出，疲勞裂紋壽命基本等于裂紋形成和擴展兩個階段時間總和。

3 結論

滴水懸彎疲勞試驗表明，首先試樣表面產生點腐蝕現(xiàn)象，點腐蝕發(fā)展成為微小的腐蝕坑，腐蝕坑加速了裂紋的產生，腐蝕坑成為裂紋源，隨著循環(huán)的進行，裂紋沿著周向擴展成大裂紋。

［1］史密斯.鋼軌滾動接觸疲勞的進一步研究［J］.中國鐵道科學，2002，23（3）：6-10.

［2］郭俊.輪軌滾動接觸疲勞損傷機理［D］.成都：西南交通大學，2006.

U213.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.041

2095－6835（2019）14－0094－02

郝建云（1982—），男，碩士，研究方向為城市軌道交通、動車高鐵行走部件。

〔編輯：王霞〕