盛 偉,劉天琦,馬少俊,陳天運(yùn)

(中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院,北京 １０００９５)

摘 要:對(duì)３００M 鋼在空氣和質(zhì)量分?jǐn)?shù)３．５％NaCl水溶液中分別進(jìn)行了疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn),得到了其疲勞裂紋擴(kuò)展速率Ｇ應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍曲線,并分別利用 Paris公式和 Walker公式對(duì)曲線進(jìn)行了擬合;分析了應(yīng)力比、腐蝕環(huán)境、頻率對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響.結(jié)果表明:３００M 鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨應(yīng)力比的增加而增大;在相同應(yīng)力比下,３００M 鋼在 NaCl水溶液中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率在裂紋擴(kuò)展前期比在空氣中的快,在擴(kuò)展后期則趨于一致;較低試驗(yàn)頻率下３００M 鋼在裂紋擴(kuò)展前期的疲勞裂紋擴(kuò)展速率比在較高頻率下的快.

關(guān)鍵詞:３００M 鋼;疲勞裂紋擴(kuò)展;應(yīng)力比;腐蝕疲勞

中圖分類號(hào):TG１１５．５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１０００Ｇ３７３８(２０１７)０６Ｇ００１７Ｇ０３

０ 引 言

３００M 鋼是２０世紀(jì)６０年代由美國(guó)研發(fā)的一種低合金超高強(qiáng)度鋼,因具有良好的強(qiáng)度、塑性和抗疲勞性能而成為當(dāng)今飛機(jī)起落架的首選材料[１].隨著飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)理念的發(fā)展,斷裂韌性、疲勞裂紋擴(kuò)展性能等也成為了評(píng)價(jià)飛機(jī)用材料性能的重要指標(biāo).文獻(xiàn)[２Ｇ６]研究了３０CrMnSiNi２A、GCＧ４、AerMet１００等超高強(qiáng)度鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展行為,討論了應(yīng)力比、加載頻率、試驗(yàn)環(huán)境、材料組織等因素對(duì)這些超高強(qiáng)度鋼疲勞裂紋擴(kuò)展性能的影響;李瑞鴻等[７]研究了噴丸強(qiáng)化對(duì) ３００M 鋼疲勞性能的影響;張國(guó)棟等[８]對(duì)３００M 鋼焊接接頭的疲勞斷裂機(jī)制進(jìn)行了研究.但有關(guān)３００M 鋼疲勞裂紋擴(kuò)展行為的研究尚未見報(bào)道.

３００M 鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率反映了該鋼在標(biāo)準(zhǔn)條件下的抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力,是確定零件服役壽命 的 重 要 指 標(biāo). 因 此,作 者 在 不 同 條 件 下 對(duì)３００M 鋼進(jìn)行了疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn),分析了應(yīng)力比、試驗(yàn)環(huán)境、頻率等因素對(duì)中速(裂紋擴(kuò)展速率da/dN 在１０－５~１０－３ mm??周次－１)擴(kuò)展區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響,并用 Paris方程和 Walker方程對(duì)中速擴(kuò)展區(qū)曲線進(jìn)行了擬合,為該鋼的應(yīng)用與評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)參考.

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)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(kuò)展試樣.拉伸試樣的尺寸為?１０mm×１１０mm,標(biāo)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(kuò)展試樣的尺寸見圖１,厚度為２０mm,取樣方向?yàn)榭v向.

對(duì)試樣進(jìn)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(jìn)行拉伸和斷裂韌度性能測(cè)試,測(cè)得其屈服強(qiáng)度Rp０．２和抗拉強(qiáng)度 Rm 分別為１６８３,２００５ MPa,斷后伸長(zhǎng)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(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn),最大載荷１６kN,加載波形為正弦波,試驗(yàn)環(huán)境為空氣環(huán)境和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為３．５％NaCl水溶液.在空氣環(huán)境中試驗(yàn)時(shí),應(yīng)力比R 分別為０．１,０．３,試驗(yàn)頻率f 為１０Hz;在 NaCl水溶液中試驗(yàn)時(shí),R 分別為０．１,０．３,f 分別為５,１０ Hz.試驗(yàn)完成后,利用Camscan３１００型掃描電鏡(SEM)觀察斷口形貌.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 疲勞裂紋擴(kuò)展行為

２．１．１ 不同環(huán)境和應(yīng)力比下的da/dNＧΔK 曲線

材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線可分成 ３ 個(gè)階段,即近門檻區(qū)、中速擴(kuò)展區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū).其中,中速擴(kuò)展區(qū)受材料內(nèi)在因素(顯微組織、力學(xué)性能等)的影響較小,而受應(yīng)力比、加載頻率、環(huán)境等的影響較顯著[９].

由圖２可知:在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中,３００M 鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN 隨應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍 ΔK 的增加而單調(diào)遞增;在相同的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍,應(yīng)力比為０．３下試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展速率高于應(yīng)力比為０．１下試樣的;在裂紋擴(kuò)展前期,試樣在 NaCl水溶液中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯高于在空氣中的;當(dāng)ΔK≥２０MPa??m１/２時(shí),兩種環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率相當(dāng).

nderdifferentconditions a airand b NaClＧwatersolutionParis模型是應(yīng)用廣闊的描述材料疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律的模型之一.將 Paris公式取對(duì)數(shù),得到其對(duì)數(shù)表達(dá)式為

式中:C,m 為材料常數(shù).

用式(１)對(duì)圖２數(shù)據(jù)進(jìn)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００M 鋼的疲勞裂紋擴(kuò)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(kuò)展速率分散性相對(duì)較大.

WALKER[１０]在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了用來描述應(yīng)力 比 對(duì) 材 料 疲 勞 裂 紋 擴(kuò) 展 速 率 影 響 的 公 式(Walker公式),其對(duì)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(kuò)展速率越高.用式(２)對(duì)圖２數(shù)據(jù)進(jìn)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(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)０．９６以上.

裂紋閉合效應(yīng)常被用來解釋應(yīng)力比對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響.ELBER[１１]認(rèn)為,在疲勞裂紋尖端的后部存在一個(gè)塑性變形區(qū),使裂紋張開位移減小,實(shí)際控制裂紋擴(kuò)展的是應(yīng)力強(qiáng)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(kuò)展速率.研究[１２]表明:在腐蝕環(huán)境中,金屬和環(huán)境會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成有害物質(zhì),這些物質(zhì)被吸附并擴(kuò)散進(jìn)入裂紋尖端前沿區(qū),加速疲勞裂紋擴(kuò)展;當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行一段時(shí)間后,裂紋張開位移增大,疲勞裂紋擴(kuò)展速率主要受力學(xué)因素控制,腐蝕環(huán)境對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)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(yàn)頻率(f＝５Hz)下,試樣在裂紋擴(kuò)展前期的疲勞裂紋擴(kuò)展速率比在較高試驗(yàn)頻率(f＝１０Hz)下的快;當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展速率達(dá)到１０－４ mm??周次－１之后,兩種頻率下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率趨于一致.

頻率對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)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(duì)疲勞裂紋擴(kuò)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(kuò)展速率.加載頻率越低,裂紋尖端的材料就有充分的時(shí)間與腐蝕環(huán)境發(fā)生電化學(xué)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(yàn)頻率和腐蝕環(huán)境的共同作用導(dǎo)致了試樣在裂紋擴(kuò)展前期裂紋擴(kuò)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(kuò)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(kuò)展區(qū)光滑,存在疲勞條帶,這是疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)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(kuò)展速率隨應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍的增加而單調(diào)遞增;在相同應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍下,應(yīng)力比為０．３下試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展速率高于應(yīng)力比為０．１下的;在 NaCl水溶液中３００M 鋼 E(３TO＋２LO)＋B１峰強(qiáng)度均會(huì)隨著距裂紋尖端距離的增加而減弱.

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