０ 引 言 

３００M 鋼是２０世紀６０年代由美國研發(fā)的一種 低合金超高強度鋼,因具有良好的強度、塑性和抗疲 勞性能而成為當今飛機起落架的首選材料[１].隨著 飛機結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計理念的發(fā)展,斷裂韌性、疲勞 裂紋擴展性能等也成為了評價飛機用材料性能的重 要指標.文獻[２Ｇ６]研究了３０CrMnSiNi２A、GCＧ４、 AerMet１００等超高強度鋼的疲勞裂紋擴展行為,討 論了應(yīng)力比、加載頻率、試驗環(huán)境、材料組織等因素 對這些超高強度鋼疲勞裂紋擴展性能的影響;李瑞 鴻等[７]研究了噴丸強化對 ３００M 鋼疲勞性能的影 響;張國棟等[８]對３００M 鋼焊接接頭的疲勞斷裂機制進行了研究.但有關(guān)３００M 鋼疲勞裂紋擴展行為的研究尚未見報道.３００M 鋼的疲勞裂紋擴展速率反映了該鋼在標準條件下的抗疲勞裂紋擴展能力,是確定零件服役壽命 的 重 要 指 標. 因 此,作 者 在 不 同 條 件 下 對３００M 鋼進行了疲勞裂紋擴展速率試驗,分析了應(yīng)力比、試驗環(huán)境、頻率等因素對中速(裂紋擴展速率da/dN 在１０－５~１０－３ mm??周次－１)擴展區(qū)疲勞裂紋擴展速率的影響,并用 Paris方程和 Walker方程對中速擴展區(qū)曲線進行了擬合,為該鋼的應(yīng)用與評價提供數(shù)據(jù)參考.

１ 試樣制備與試驗方法

試驗用材料為３００M 鋼棒,由撫順特鋼生產(chǎn),規(guī)格為?４００mm,退火態(tài).從３００M 鋼棒上切取材料,制成拉伸試樣、斷裂韌度試樣以及緊湊拉伸疲勞裂紋擴展試樣.拉伸試樣的尺寸為?１０mm×１１０mm,標距為５０ mm;斷裂韌度試樣的尺寸為 １５ mm×３０mm×１４０mm;緊湊拉伸疲勞裂紋擴展試樣的尺寸見圖１,厚度為２０mm,取樣方向為縱向.

對試樣進行８７０ ℃×１h淬火＋３００ ℃×２h兩次回 火 熱 處 理 后,按 GB/T２２８．１－２０１０ 和 GB/T４１６１－２００７分別進行拉伸和斷裂韌度性能測試,測得其屈服強度Rp０．２和抗拉強度 Rm 分別為１６８３,２００５ MPa,斷后伸長率 A 為１０．５％,斷面收縮率Z 為４０．１％,斷裂韌度 KIC為７７ MPa??m１/２.根據(jù) GB/T６３９８－２０００,在 MTS８１０型疲勞試驗機上進行疲勞裂紋擴展速率試驗,最大載荷１６kN,加載波形為正弦波,試驗環(huán)境為空氣環(huán)境和質(zhì)量分數(shù)為３．５％NaCl水溶液.在空氣環(huán)境中試驗時,應(yīng)力比R 分別為０．１,０．３,試驗頻率f 為１０Hz;在 NaCl水溶液中試驗時,R 分別為０．１,０．３,f 分別為５,１０ Hz.試驗完成后,利用Camscan３１００型掃描電鏡(SEM)觀察斷口形貌.

比為０．３下試樣的疲勞裂紋擴展速率高于應(yīng)力比為０．１下試樣的;在裂紋擴展前期,試樣在 NaCl水溶液中的疲勞裂紋擴展速率明顯高于在空氣中的;當ΔK≥２０MPa??m１/２時,兩種環(huán)境下的疲勞裂紋擴展速率相當.

Paris模型是應(yīng)用廣闊的描述材料疲勞裂紋擴展規(guī)律的模型之一.將 Paris公式取對數(shù),得到其對數(shù)表達式為：

式中:C,m 為材料常數(shù).用式(１)對圖２數(shù)據(jù)進行線性擬合,得到不同條件下的擬合參數(shù),如表１所示.表中,r２ 為表示線性程度的相關(guān)系數(shù).由表１可以看出:兩種環(huán)境下的r２ 均高于０．９５,可見３００M 鋼的疲勞裂紋擴展速率與 Paris公式符合良好;空氣環(huán)境中的r２ 比 NaCl水溶液中的高,說明 NaCl水溶液中的疲勞裂紋擴展速率分散性相對較大.

WALKER[１０]在試驗的基礎(chǔ)上提出了用來描述應(yīng)力 比 對 材 料 疲 勞 裂 紋 擴 展 速 率 影 響 的 公 式(Walker公式),其對數(shù)形式為

式中:C,n,m 為材料常數(shù).由式(２)可見,應(yīng)力比越大,疲勞裂紋擴展速率越高.用式(２)對圖２數(shù)據(jù)進行擬合,結(jié)果見表２.

由表２可見:３００M 鋼在空氣和 NaCl水溶液中的裂紋擴展速率與應(yīng)力強度因子范圍顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)達０．９６以上.

裂紋閉合效應(yīng)常被用來解釋應(yīng)力比對裂紋擴展速率的影響.ELBER[１１]認為,在疲勞裂紋尖端的后部存在一個塑性變形區(qū),使裂紋張開位移減小,實際控制裂紋擴展的是應(yīng)力強度因子的有效值ΔKeff.應(yīng)力比越大,裂紋閉合效應(yīng)越小,因此試樣具有更高的疲勞裂紋擴展速率.研究[１２]表明:在腐蝕環(huán)境中,金屬和環(huán)境會發(fā)生化學反應(yīng)生成有害物質(zhì),這些物質(zhì)被吸附并擴散進入裂紋尖端前沿區(qū),加速疲勞裂紋擴展;當試驗進行一段時間后,裂紋張開位移增大,疲勞裂紋擴展速率主要受力學因素控制,腐蝕環(huán)境對疲勞裂紋擴展的影響減弱.

２．１．２ 腐蝕環(huán)境中不同頻率下的da/dNＧΔK 曲線

由圖３可見:在較低試驗頻率(f＝５Hz)下,試樣在裂紋擴展前期的疲勞裂紋擴展速率比在較高試驗頻率(f＝１０Hz)下的快;當疲勞裂紋擴展速率達到１０－４ mm??周次－１之后,兩種頻率下的疲勞裂紋擴展速率趨于一致.頻率對疲勞裂紋擴展速率的影響十分復(fù)雜.一般而言:在惰性氣體環(huán)境中,頻率對疲勞裂紋擴展速率的影響不大;在腐蝕環(huán)境中,降低頻率可以提高疲勞裂紋擴展速率.加載頻率越低,裂紋尖端的材料就有充分的時間與腐蝕環(huán)境發(fā)生電化學反應(yīng),加速裂紋尖端處材料的陽極溶解,從而加快腐蝕速率.試驗頻率和腐蝕環(huán)境的共同作用導(dǎo)致了試樣在裂紋擴展前期裂紋擴展速率的差異.

２．２ 斷口形貌

試樣疲勞斷口主要由疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)兩部分組成.由圖４可以看出:疲勞裂紋擴展區(qū)光滑,存在疲勞條帶,這是疲勞裂紋穩(wěn)定擴展的典型組織特征;瞬斷區(qū)以韌窩為主,說明３００M 鋼具有較好的塑性.

３ 結(jié) 論

(１)３００M 鋼的疲勞裂紋擴展速率隨應(yīng)力強度因子范圍的增加而單調(diào)遞增;在相同應(yīng)力強度因子范圍下,應(yīng)力比為０．３下試樣的疲勞裂紋擴展速率高于應(yīng)力比為０．１下的;在 NaCl水溶液中３００M 鋼和 E(３TO＋２LO)＋B１峰強度均會隨著距裂紋尖端距離的增加而減弱.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-機械工程材料 > 2017年 > 6期 > pp.17）