30CrNiMo8合金鋼的彎曲微動(dòng)疲勞特性

劉大偉，彭金方，田 來，宋 川，劉建華，朱旻昊

（西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦學(xué)研究所，成都 610031）

0 引 言

微動(dòng)疲勞是指構(gòu)件在接觸載荷作用下，由于承受交變疲勞應(yīng)力而引起接觸表面的位移幅值極小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生微動(dòng)損傷［1－5］，且促使疲勞裂紋提前萌生和擴(kuò)展，從而導(dǎo)致構(gòu)件的疲勞壽命或強(qiáng)度明顯降低的現(xiàn)象［6－7］。微動(dòng)疲勞廣泛存在于機(jī)械、鐵路、核電、航天航空、橋梁、船舶等各工業(yè)領(lǐng)域的緊固配合構(gòu)件中［8－9］，已成為很多關(guān)鍵零部件失效的主要原因之一。研究表明，對(duì)于某些高壽命的構(gòu)件，由于微動(dòng)疲勞的影響，其壽命會(huì)下降約30%［10］。隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)關(guān)鍵零部件提出了高精度、長壽命和高可靠性的要求［11－12］。30CrNiMo8合金鋼是一種淬透性好、綜合力學(xué)性能高和低溫沖壓性能好的合金結(jié)構(gòu)鋼，廣泛用于機(jī)車交流牽引電機(jī)轉(zhuǎn)軸上［13］。為了研究微動(dòng)疲勞引起壽命降低的機(jī)理，作者通過彎曲微動(dòng)疲勞試驗(yàn)和微觀分析探討了30CrNiMo8合金鋼的彎曲微動(dòng)疲勞特性及相關(guān)規(guī)律，為其工程應(yīng)用提供理論支持。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為30CrNiMo8合金鋼（屈服強(qiáng)度σ0.2為969.6MPa，抗拉強(qiáng)度σb為1 095.8MPa），微動(dòng)墊材料為17CrNiMo6鋼（屈服強(qiáng)度σ0.2為790MPa，抗拉強(qiáng)度σb為1 080MPa），它們的化學(xué)成分如表1所示。將它們分別用于模擬機(jī)車電機(jī)軸和小齒輪軸這一對(duì)過盈配合接觸副。將30CrNiMo8鋼加工成如圖1所示的試樣，試驗(yàn)中將其左端固定，并在A點(diǎn)與微動(dòng)墊接觸，微動(dòng)墊為φ16mm×10mm的圓柱，在B點(diǎn)施加彎曲載荷，在法向載荷和彎曲疲勞載荷的共同作用下A點(diǎn)位置產(chǎn)生微動(dòng)損傷。

在100kN 島津 EHF-UM100K2-040-0A 型電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行彎曲微動(dòng)疲勞試驗(yàn)，采用點(diǎn)接觸方式，自主設(shè)計(jì)了高精度彎曲微動(dòng)疲勞試驗(yàn)加載及夾持裝置，如圖2所示，試驗(yàn)頻率為20Hz，施加應(yīng)力比為0.1的正弦彎曲載荷。微動(dòng)墊上的法向載荷Fn取1 000N，最大循環(huán)次數(shù)N設(shè)定為1×106。微動(dòng)墊和試樣為圓柱/圓柱正交接觸，形成點(diǎn)接觸模式。彎曲載荷可通過式（1）換算成對(duì)應(yīng)的最大彎曲應(yīng)力，如表2所示。

表1 30CrNiMo8和17CrNiMo6合金鋼的名義化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Nominal chemical composition of 30CrNiMo8and 17CrNiMo6alloy steels（mass） %

圖1 彎曲微動(dòng)疲勞試樣的尺寸Fig.1 Size of bending fretting fatigue specimen

式中：σa，max為最大彎曲應(yīng)力；F為彎曲載荷；L為彎曲載荷作用點(diǎn)和微動(dòng)墊之間的距離，即圖1中A、B點(diǎn)間的距離；d為試樣的截面直徑。

圖2 彎曲微動(dòng)疲勞加載及夾具示意Fig.2 Sketch map of bending fretting fatigue loading and rig

表2 彎曲載荷與彎曲應(yīng)力對(duì)應(yīng)表Tab.2 Correspondence table between bending load and bending stress

采用OLYMPUS-BX60M型光學(xué)顯微鏡和JEOL-6610LV型掃描電鏡觀察微動(dòng)損傷形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 彎曲微動(dòng)疲勞的S-N 曲線

通過一定數(shù)量的彎曲微動(dòng)疲勞試驗(yàn)可獲得如圖3所示的疲勞壽命（S-N）曲線?？梢钥闯?，隨著彎曲載荷的增加，試樣的疲勞壽命呈現(xiàn)先減小后增大然后再減小的特征，在彎曲應(yīng)力為746MPa時(shí)，疲勞壽命存在一個(gè)凹區(qū)，即低壽命區(qū)，這與其它材料的試驗(yàn)結(jié)果一致［5］。結(jié)合微動(dòng)損傷區(qū)的形貌可知，彎曲微動(dòng)疲勞的微動(dòng)運(yùn)行區(qū)可分為部分滑移區(qū)（PSR）、混合區(qū)（MR）和完全滑移區(qū)（SR）。在部分滑移區(qū)，施加的彎曲載荷小，引起的微動(dòng)位移較小，損傷相對(duì)較輕微，微動(dòng)損傷區(qū)呈環(huán)狀，存在因粘著而幾乎無損傷的區(qū)域，如圖4（a）中的白亮區(qū)域所示，試樣的壽命相對(duì)較長。當(dāng)彎曲應(yīng)力為671MPa（彎曲載荷6.75kN）時(shí)，循環(huán)106周次后試樣未斷裂；隨著疲勞應(yīng)力的增加，疲勞壽命明顯降低；彎曲應(yīng)力進(jìn)一步增大至721MPa（彎曲載荷為7.25kN）時(shí)，微動(dòng)運(yùn)行進(jìn)入混合區(qū)，在此區(qū)域，接觸區(qū)的磨損加劇，如圖4（b）所示，微動(dòng)進(jìn)入易萌生裂紋的區(qū)域（后文將對(duì)此作詳細(xì)分析），因此試樣的疲勞壽命最小；隨著彎曲應(yīng)力繼續(xù)增大，達(dá)到796MPa（彎曲載荷為8.0kN）以上時(shí)，微動(dòng)接觸區(qū)的相對(duì)位移增大，表面磨損加劇且損傷區(qū)域也進(jìn)一步擴(kuò)大，如圖4（c）所示，但可能由于磨損有利于去除早期萌生的裂紋，因此微動(dòng)疲勞壽命會(huì)在滑移區(qū)有增加的趨勢(shì)。當(dāng)施加更大的彎曲載荷（接近材料的屈服強(qiáng)度）時(shí)，試樣會(huì)在較低的循環(huán)次數(shù)下斷裂，這時(shí)與普通疲勞的差距已很小。在微動(dòng)疲勞影響顯著的階段內(nèi)S-N 曲線呈現(xiàn)“C”曲線特征?？傊?dāng)施加的彎曲載荷使微動(dòng)運(yùn)行于混合區(qū)時(shí)，材料最容易斷裂，微動(dòng)疲勞壽命最短。

圖3 試驗(yàn)鋼彎曲微動(dòng)疲勞的S-N曲線Fig.3 S-Ncurve of bending fretting fatigue for the tested steel

2.2 微動(dòng)損傷

在三個(gè)運(yùn)行區(qū)域中，各取一個(gè)代表性的彎曲應(yīng)力，分析試樣在該彎曲應(yīng)力下循環(huán)50 000周次的損傷情況，如圖4所示。可見，接觸區(qū)磨損形貌為橢圓狀。由于試樣一端固定，另一端承受彎曲疲勞載荷作用，所以磨損形貌呈明顯的非對(duì)稱特征，其中固定端在微動(dòng)運(yùn)行過程中的位移幅值小，磨損相對(duì)輕微，靠近加載端的微動(dòng)位移幅值相對(duì)較大，磨損較為嚴(yán)重。

當(dāng)彎曲載荷較小時(shí)，即微動(dòng)運(yùn)行于部分滑移區(qū)時(shí)，接觸區(qū)的磨損輕微，中間分散有少量磨屑，固定端接觸邊緣可見磨屑堆積，加載端可見犁溝痕跡，兩邊有輕微的氧化，顏色呈淺棕紅色，符合微動(dòng)損傷的基本特征［1］。部分滑移區(qū)接觸邊緣的損傷帶較窄，如圖5（a）所示，有磨屑堆積現(xiàn)象，說明此時(shí)微動(dòng)的相對(duì)位移較小，磨屑難以排出；在接觸中心區(qū)的磨損嚴(yán)重，表面呈現(xiàn)一定的塑性變形痕跡，材料呈塊狀剝落，符合疲勞磨損的剝層機(jī)制特征，如圖5（b）所示。因此，在彎曲微動(dòng)疲勞的部分滑移區(qū)，雖然損傷相對(duì)較輕，但磨損機(jī)制仍表現(xiàn)為磨粒磨損、剝層和氧化磨損。

圖4 不同彎曲應(yīng)力下循環(huán)50 000周次后試驗(yàn)鋼的磨損形貌Fig.4 Wear morphology of the tested steel at different bending stresses and cycles of 50 000times

彎曲載荷增大后，磨損加劇，并且在加載端出現(xiàn)了更為明顯的劃擦痕跡，如圖4（b）所示，磨損區(qū)擴(kuò)大且損傷加重，有明顯的磨粒磨損和氧化磨損。當(dāng)載荷進(jìn)入完全滑移區(qū)時(shí)，彎曲載荷更大，由于接觸區(qū)加載端的位移幅值較大，接觸區(qū)幾乎完全磨損。由此可以看出，當(dāng)彎曲載荷增大時(shí)，整個(gè)接觸區(qū)的磨損程度加劇。

在同一彎曲載荷下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，磨損區(qū)域沒有明顯變化，只是磨損現(xiàn)象變得更為嚴(yán)重。在這個(gè)過程中伴有明顯的塑性流動(dòng)，磨粒磨損、疲勞磨損和氧化磨損為其主要的表面損傷機(jī)制。

2.3 微動(dòng)疲勞裂紋

經(jīng)過大量的試驗(yàn)和微觀觀察發(fā)現(xiàn)，微動(dòng)疲勞裂紋均出現(xiàn)在接觸區(qū)靠近加載端一側(cè)，如圖6所示。從圖6（a）可以看到，在加載端出現(xiàn)了明顯的主裂紋（已擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂）和次裂紋。由于固定端的微動(dòng)位移相對(duì)較小，所以磨損輕微，但有很明顯的磨屑堆積和犁溝痕跡，沒有觀察到裂紋，如圖6（b）所示。在接觸區(qū)的中心有嚴(yán)重的磨損和片狀磨屑層剝落，這是由于產(chǎn)生的磨屑不能及時(shí)排除，在此處反復(fù)碾壓形成磨屑層并在承載過程中二次剝落形成的，如圖6（c）所示。從接觸區(qū)可以看到貫穿性的大裂紋和一條細(xì)裂紋，分別如圖6（d）和圖6（c）所示，此處產(chǎn)生微動(dòng)疲勞裂紋，此裂紋萌生區(qū)域的接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力均較大，微動(dòng)位移也較大，同時(shí)還可觀察到大面積的材料剝落區(qū)。因此，對(duì)于微動(dòng)運(yùn)動(dòng)的混合區(qū)，其損傷機(jī)制是微動(dòng)疲勞裂紋、磨粒磨損、氧化磨損和剝層。

圖5 部分滑移區(qū)磨損表面的SEM形貌（F＝6.25kN，σa，max＝622MPa，N＝106 周次）Fig.5 SEMmorphology of worn surface in the partial slip regime：（a）edge of the contact area and（b）central area of the wear scar

圖6 混合區(qū)磨損表面的SEM形貌（F＝7.5kN，σa，max＝746MPa）Fig.6 SEMmorphology of worn surface in the mixed regime：（a）whole view of contact area；（b）fixed end of contact area；（c）center of contact area and（d）loading end of contact area

為了進(jìn)一步分析微動(dòng)疲勞裂紋，沿著圖7（a）中的虛線切割，將存在微觀裂紋的試樣進(jìn)行剖面分析。由圖7（b）可以看出，裂紋的萌生和擴(kuò)展大致可分為三個(gè)階段。第一個(gè)階段，裂紋以一定角度（約70°）開始萌生和擴(kuò)展，當(dāng)擴(kuò)展到一定深度后逐漸轉(zhuǎn)向垂直方向，進(jìn)入垂直于表面的第三階段后，擴(kuò)展行為完全由彎曲疲勞載荷控制，直至斷裂。從力學(xué)上分析，之所以會(huì)形成這樣的擴(kuò)展過程，是因?yàn)榈谝浑A段和第三階段主要由不同性質(zhì)的應(yīng)力控制。彎曲微動(dòng)疲勞為多軸疲勞，受多個(gè)應(yīng)力共同影響。在第一階段以接觸應(yīng)力為主，彎曲應(yīng)力為輔，在兩者的共同作用下，裂紋以一定的傾斜角度開始擴(kuò)展，隨著裂紋擴(kuò)展深度的增加，接觸應(yīng)力的作用降低，當(dāng)裂紋擴(kuò)展深度逐漸超過接觸應(yīng)力的影響深度時(shí)，即進(jìn)入第三階段，彎曲應(yīng)力控制著裂紋的擴(kuò)展方向，所以隨后的裂紋垂直于表面擴(kuò)展。中間階段裂紋的擴(kuò)展受接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的共同作用。另外，在主裂紋旁邊還有一條次裂紋，其全貌如圖7（d）所示，其萌生角度大約與接觸表面呈45°，還處于擴(kuò)展的第一階段。通過兩條裂紋擴(kuò)展初期的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，接觸應(yīng)力在裂紋擴(kuò)展中起著非常重要的作用，裂紋的萌生和擴(kuò)展是局部接觸疲勞應(yīng)力和整體彎曲疲勞應(yīng)力共同作用的結(jié)果，在不同的階段，兩個(gè)應(yīng)力的影響程度不同。

圖7 微動(dòng)疲勞裂紋的剖面形貌（F＝7.5kN，σa，max＝746MPa）Fig.7 Sectional morphology of fretting fatigue cracks：（a）crack location；（b）sectional morphology of the main crack；（c）top of the main crack and（d）sectional morphology of the second crack

3 結(jié) 論

（1）30CrNiMo8合金鋼彎曲微動(dòng)疲勞S-N 曲線呈“C”型，彎曲微動(dòng)疲勞的微動(dòng)運(yùn)行區(qū)可分為部分滑移區(qū)、混合區(qū)和滑移區(qū)；當(dāng)微動(dòng)運(yùn)行于混合區(qū)時(shí)，材料的彎曲微動(dòng)疲勞壽命最短。

（2）彎曲微動(dòng)疲勞損傷區(qū)的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損、氧化磨損和剝層，在部分滑移區(qū)時(shí)損傷最輕微，在完全滑移區(qū)則表現(xiàn)為較嚴(yán)重的磨損。

（3）主裂紋的萌生與擴(kuò)展可分為三個(gè)階段，第一階段裂紋沿與表面呈70°的方向萌生和擴(kuò)展，此時(shí)主要受接觸應(yīng)力的控制；第二階段，裂紋發(fā)生轉(zhuǎn)向，此時(shí)裂紋的擴(kuò)展受接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的共同作用；第三階段，裂紋轉(zhuǎn)至垂直于表面的方向，此時(shí)裂紋的擴(kuò)展完全由彎曲應(yīng)力控制。

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