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    方形和菱形路徑下35CrMoA拉扭復(fù)合微動(dòng)疲勞行為

    2016-09-02 10:15:27田丹丹何國(guó)球劉曉山呂世泉林國(guó)斌任敬東
    功能材料 2016年5期
    關(guān)鍵詞:方形微動(dòng)菱形

    田丹丹,何國(guó)球,沈 月,劉曉山,呂世泉 ,林國(guó)斌,任敬東,胡 杰

    (1. 同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海市金屬功能材料開(kāi)發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201804;2. 同濟(jì)大學(xué) 磁浮交通工程技術(shù)研究中心,上海 201804)

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    方形和菱形路徑下35CrMoA拉扭復(fù)合微動(dòng)疲勞行為

    田丹丹1,何國(guó)球1,沈月1,劉曉山1,呂世泉1,林國(guó)斌2,任敬東2,胡杰2

    (1. 同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海市金屬功能材料開(kāi)發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201804;2. 同濟(jì)大學(xué) 磁浮交通工程技術(shù)研究中心,上海 201804)

    研究了35CrMoA合金鋼在接觸應(yīng)力為150MPa,等效應(yīng)力幅值為400MPa時(shí)方形和菱形路徑下的微動(dòng)疲勞特性,包括循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)特征、疲勞壽命、微動(dòng)斑及微動(dòng)疲勞斷口的形貌特征。結(jié)果表明,方形路徑下,35CrMoA鋼經(jīng)緩慢循環(huán)軟化、快速軟化到達(dá)最后的穩(wěn)定階段,而菱形加載下,材料快速軟化之后直接到達(dá)穩(wěn)定階段;兩種路徑下的疲勞壽命差別不大;方形加載的滑移區(qū)較寬,粘著區(qū)較窄,而菱形加載則相反;方形路徑下裂紋垂直于試樣表面擴(kuò)展,而菱形加載路徑下的微裂紋是曲折的,沿與軸線(xiàn)成一定角度的方向上擴(kuò)展。

    35CrMoA合金鋼;加載路徑;微動(dòng)疲勞;微動(dòng)斑;斷口形貌

    0 引 言

    隨著科技的發(fā)展,服役工況條件愈來(lái)愈苛刻,對(duì)零部件精度、壽命和可靠性的要求也越來(lái)越高。高速列車(chē)輪軸鋼35CrMoA的冷切斷裂主要由輪軸壓裝部位的微動(dòng)疲勞引起,縮短輪軸壽命,甚至帶來(lái)列車(chē)脫軌等嚴(yán)重事故[1-2]。從微動(dòng)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)至今,研究人員已進(jìn)行大量研究,并總結(jié)出一些微動(dòng)疲勞損傷機(jī)理。眾所周知,加載路徑對(duì)材料疲勞特性影響很大,然而國(guó)內(nèi)外對(duì)35CrMoA合金鋼的多軸微動(dòng)疲勞行為研究較少,材料在方形和菱形路徑加載下微動(dòng)疲勞的研究更是空缺[3-5],這使列車(chē)安全隱患增加。本文擬研究35CrMoA在不同路徑下的微動(dòng)疲勞特性,通過(guò)觀察微動(dòng)斑及斷口特征,研究微動(dòng)損傷及微動(dòng)疲勞斷裂機(jī)理,從而明確加載路徑對(duì)35CrMoA微動(dòng)疲勞的影響。

    1 實(shí)驗(yàn)方法

    實(shí)驗(yàn)用材料為35CrMoA合金鋼,其成分列于表1。

    表1 35CrMoA鋼的化學(xué)成分(%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))

    本研究用35CrMoA鋼為直徑16mm的棒材,具體調(diào)質(zhì)工藝為:將35CrMoA放入預(yù)熱電阻爐,850 ℃下固溶處理25min,油冷,之后550 ℃下回火60min,油冷。把調(diào)質(zhì)后的材料制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸、微動(dòng)疲勞試樣及配套微動(dòng)橋,尺寸如圖1所示。微動(dòng)橋材料與熱處理工藝與試樣相同??紤]到疲勞裂紋萌生對(duì)試樣表面狀態(tài)敏感,疲勞試樣工作段需精密拋光,拋光后的表面粗糙度Ra≤0.16。

    圖1 微動(dòng)疲勞試樣及微動(dòng)橋尺寸

    Fig1Sizeoffrettingfatiguespecimenandfrettingbridge

    本研究用到的主要設(shè)備為MTS809電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī),并安裝微動(dòng)裝置,實(shí)驗(yàn)時(shí),試樣上端由上夾頭固定,下端由下夾頭夾持。軸向和扭向載荷均以方形波加載;微動(dòng)橋通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓和微動(dòng)框剛性連接。圖2為加載路徑示意圖。

    圖2 加載路徑示意圖

    方形和菱形加載示意圖如圖2所示,其中σ和τ分別是軸向應(yīng)力和剪切應(yīng)力。

    對(duì)于35CrMoA合金鋼,在接觸應(yīng)力為150MPa,等效應(yīng)力幅值為400MPa時(shí)分別在方形、菱形路徑下進(jìn)行拉扭復(fù)和微動(dòng)疲勞試驗(yàn),用Leitz307光學(xué)顯微鏡觀察試樣微觀組織,用FEIQuanta200F場(chǎng)發(fā)射SEM對(duì)微動(dòng)斑和疲勞斷口進(jìn)行分析,研究微動(dòng)損傷及疲勞斷裂的特點(diǎn)和機(jī)理。

    2 結(jié)果和討論

    2.1微觀組織

    圖3為35CrMoA合金鋼的原始組織形貌??梢钥闯霾牧辖?jīng)調(diào)質(zhì)后,得到的組織為細(xì)小回火索氏體,保留了原淬火馬氏體的方位,碳化物等析出相非常細(xì)小且不明顯,如圖3(a)所示。利用日立H-800TEM觀察的組織結(jié)構(gòu)如圖3(b),可見(jiàn)位錯(cuò)是最主要的特征,且以零散的線(xiàn)狀分散,無(wú)明顯的規(guī)律性和方向性,同時(shí)組織還保留了部分細(xì)小的馬氏體板條,具有一定的位向特征[6-7]。

    圖3 35CrMoA顯微組織圖

    2.2拉伸性能

    將拉伸試樣裝夾于MTS809疲勞試驗(yàn)機(jī),進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,采用位移控制,加載速度為2mm/min。得到圖4(a)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn),35CrMoA力學(xué)性能如表2。從試件夾持部分橫向截取小塊試樣,用HVS-50A型號(hào)維氏硬度計(jì),沿直徑方向均布測(cè)試5點(diǎn)硬度值取平均值。試驗(yàn)時(shí)施加的壓力為98N,保壓時(shí)間為15s,得到的硬度值如圖4(b)。

    表2 35CrMoA常規(guī)力學(xué)性能

    圖435CrMoA力學(xué)性能

    Fig4Mechanicalpropertiesof35CrMoA

    2.3循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)特征

    圖5為35CrMoA在接觸應(yīng)力150MPa,等效應(yīng)力幅值400MPa時(shí)不同路徑下的等效應(yīng)變-循環(huán)周次曲線(xiàn),可見(jiàn)材料的等效應(yīng)變隨循環(huán)周次的增加表現(xiàn)出不同程度的增加,說(shuō)明35CrMoA在不同路徑下表現(xiàn)出不同程度的循環(huán)軟化[8]。

    圖5不同加載路徑下等效應(yīng)變隨微動(dòng)疲勞周期的演變關(guān)系

    Fig5Equivalentstressamplitudevsnumberofcyclescurvesof35CrMoAunderdifferentloadingpaths

    方形加載下:前100周,35CrMoA為緩慢軟化;100~250周次,進(jìn)入快速軟化階段;300周次后到達(dá)穩(wěn)定。菱形加載下:前100周次,等效應(yīng)變?cè)黾语@著,隨后保持穩(wěn)定。因?yàn)樵诶み^(guò)程中,應(yīng)力應(yīng)變?cè)隽渴噶康淖兓?guī)律不同,方形路徑下,循環(huán)載荷在剪應(yīng)變方向到達(dá)最大,之后經(jīng)90°轉(zhuǎn)折角,而菱形路徑下,循環(huán)載荷在剪應(yīng)變與軸向應(yīng)變對(duì)角方向到達(dá)最大,后經(jīng)45°轉(zhuǎn)折角變形,兩者之間總有45°的相位差,就導(dǎo)致了如圖所示的應(yīng)力響應(yīng)特征。

    2.4疲勞壽命

    表3給出了35CrMoA鋼在接觸應(yīng)力150MPa,等效應(yīng)力幅值400MPa時(shí)不同路徑下試樣的疲勞壽命,可以看出,方形和菱形路徑下合金的疲勞壽命差別不大。這是因?yàn)閮煞N路徑下都同時(shí)存在著軸向應(yīng)變和扭向應(yīng)變,在一個(gè)循環(huán)過(guò)程中其大小和方向發(fā)生的變化基本相同,因此兩者的疲勞壽命基本一致。

    表335CrMoA在方形和菱形路徑下的多軸微動(dòng)疲勞壽命

    Table3Fatiguelifeof35CrMoAundersquareanddiamondpaths

    NoNormalcontactpressure/MPaEquivalentstressamplitude/MPaFrettingfatiguelife/NAveragelife/N16268方形1504001452414624Square1308017332菱形1504001326414288Diamond12268

    2.5微動(dòng)斑形貌特征

    2.5.1微動(dòng)區(qū)域特征分析

    圖6,7為35CrMoA在方形和菱形路徑下的微動(dòng)斑,可分為粘著區(qū)和滑移區(qū)。方形路徑下,滑移區(qū)較寬,粘著區(qū)相對(duì)較窄;菱形路徑下則相反。由于在方形路徑下,試樣與微動(dòng)橋之間貼合更緊密,產(chǎn)生的微動(dòng)摩擦也大,阻礙微動(dòng)摩擦表面的相對(duì)滑移,使得微動(dòng)摩擦面的相對(duì)滑移幅度減小,導(dǎo)致滑移區(qū)較窄。

    并且方形路徑下的粘著區(qū),具有輕微滑擦、碾壓、抹平的痕跡,如圖6(c),這是試樣受到微動(dòng)橋的接觸應(yīng)力,表層產(chǎn)生塑性變形,粘著區(qū)內(nèi)微動(dòng)體間的靜摩擦力大于外載的交變剪切力,二體相對(duì)位移幾乎為零,故粘著區(qū)磨損較輕。而在滑移區(qū)具有明顯的滑動(dòng)磨損、溝槽的痕跡,如圖6(b)所示。圖7(c)是菱形路徑下的粘著區(qū)顯微形貌,可以看出粘著區(qū)由很小的麻坑狀斑痕組成,這些微小的斑痕呈橢圓形,沒(méi)有明顯方向性。而滑移區(qū)上堆積了大量的磨屑,這些磨屑可能是摩擦磨損產(chǎn)生的,也可能是從粘著區(qū)排出來(lái)的[9-10],如圖7(b)。

    2.5.2微裂紋特征分析

    微動(dòng)裂紋一般萌生于粘著區(qū)與滑移區(qū)交界處、微動(dòng)橋壓腳部位,這些部位應(yīng)力集中較大,是裂紋萌生的有利處所[11]。由圖8知,方形和菱形路徑下裂紋均萌生于滑移區(qū)且靠近粘著區(qū)的部位,主裂紋面與軸向大致成45°,此部位應(yīng)力集中嚴(yán)重,疲勞裂紋最容易萌生。不過(guò)由圖8(a)知,在方形路徑下混合區(qū)內(nèi)還存在與軸向基本平行的微動(dòng)裂紋,但沒(méi)有引起試樣的最終斷裂,因?yàn)椋?1)裂紋在與軸向平行的面上擴(kuò)展阻力比與軸向成45°的面上大;(2)扭轉(zhuǎn)方向微動(dòng)磨損程度較軸向嚴(yán)重的多,微裂紋可能在微動(dòng)過(guò)程中被擦除。所以最終導(dǎo)致失效的裂紋主要是那些與軸向成45°的裂紋[12-13]。

    圖6 方形路徑下的微動(dòng)斑形貌

    圖7 菱形路徑下的微動(dòng)斑形貌

    圖8 不同路徑下的微動(dòng)斑裂紋

    Fig8Freetingspotcrackunderdifferentloadingpaths

    2.6微動(dòng)疲勞斷口形貌特征

    2.6.1宏觀斷口形貌特征

    圖9是35CrMoA不同路徑下微動(dòng)疲勞斷口宏觀形貌,其具有一般疲勞斷口的特征,包括裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。整個(gè)斷口并不是一個(gè)與試件軸向垂直的平面,這是由于存在拉扭復(fù)合作用,容易出現(xiàn)鋸齒或星狀疲勞斷口,形成形態(tài)各異的臺(tái)階。裂紋萌生處發(fā)生明顯氧化使其顏色較暗,是疲勞裂紋最先形成的部位。這是微動(dòng)疲勞過(guò)程中,微動(dòng)區(qū)域連續(xù)摩擦使試樣表面溫度升高,同時(shí)從材料表面剝落的磨屑細(xì)小,化學(xué)活性高,暴露在空氣中容易氧化[14]。

    圖9 35CrMoA斷口宏觀形貌

    2.6.2微觀斷口形貌特征

    (1) 裂紋源區(qū)微裂紋

    圖10是在等效應(yīng)力幅值為400MPa,接觸應(yīng)力為150MPa時(shí)方形和菱形路徑下的裂紋源區(qū)微裂紋,可以看出,方形加載下的微動(dòng)疲勞有多個(gè)裂紋源,裂紋在微動(dòng)斑表面形成,垂直于試樣表面擴(kuò)展。因?yàn)樵嚇优c摩擦副反復(fù)摩擦,使近表層材料產(chǎn)生嚴(yán)重塑性變形,導(dǎo)致表面塑性枯竭,在循環(huán)應(yīng)力和表面摩擦力的共同作用下,表面材料開(kāi)裂,形成垂直于表面的微裂紋。這些裂紋源又不處于同一平面,擴(kuò)展的結(jié)果,使各裂紋源之間不斷合并而分割出許多臺(tái)階。而菱形加載路徑下的微裂紋是曲折的,這與試樣的受力狀態(tài)有關(guān)[15]。

    圖10 微動(dòng)疲勞裂紋源區(qū)的微裂紋

    Fig10MicrocracksmorphologyoffreetingfatigueInitiationregion

    (2) 裂紋擴(kuò)展區(qū)的微裂紋

    在微動(dòng)疲勞裂紋的擴(kuò)展區(qū),除了可以看到疲勞貝紋線(xiàn)外,還可以看到與主裂紋垂直的微裂紋,如圖11是方形和菱形路徑下微動(dòng)疲勞擴(kuò)展區(qū)的微裂紋。

    圖11 微動(dòng)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的微裂紋

    Fig11Microcracksmorphologyoffreetingfatiguepropagationregion

    從圖11(a)中看到,方形路徑下,微裂紋存在于晶界處,且沿晶界擴(kuò)展。這是由于在扭轉(zhuǎn)載荷作用下,橫截面上產(chǎn)生的剪切應(yīng)力不同,距離軸心的距離愈大,剪切應(yīng)力也愈大,這種應(yīng)力差導(dǎo)致晶界開(kāi)裂,產(chǎn)生垂直于主裂紋而平行于軸向的微裂紋。而菱形路徑下,試樣受到拉扭應(yīng)力的復(fù)合作用,使得微裂紋的擴(kuò)展方向并不垂直于試樣的軸向,而是沿與軸線(xiàn)成一定角度的方向擴(kuò)展,如圖11(b)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀測(cè),裂紋擴(kuò)展的角度大小與軸向拉伸應(yīng)力和切向剪切應(yīng)力大小有關(guān)[16-17]。

    (3) 裂紋瞬斷區(qū)的微裂紋

    瞬斷區(qū)是裂紋最后失穩(wěn)形成的斷口區(qū)域,裂紋經(jīng)過(guò)疲勞源及擴(kuò)展區(qū)后,尺寸達(dá)到臨界裂紋尺寸,此時(shí)尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到材料的臨界斷裂韌度[18]。隨著微動(dòng)疲勞繼續(xù),裂紋快速擴(kuò)展直至失效。盡管35CrMoA鋼為韌性材料,但在多軸微動(dòng)疲勞下,試樣沒(méi)有明顯塑性變形,屬于脆斷。圖12(a)是方形路徑下瞬斷區(qū)中的放射線(xiàn)狀斷面,可以發(fā)現(xiàn)放射線(xiàn)狀條紋,其方向隨裂紋擴(kuò)展而變得彎曲,而放射線(xiàn)就是裂紋擴(kuò)展包絡(luò)線(xiàn)的重合部位,所以放射線(xiàn)方向會(huì)隨裂紋擴(kuò)展而變化。而菱形路徑下,摩擦磨損破壞了材料的完整性,產(chǎn)生局部應(yīng)力集中,在微動(dòng)疲勞中后期斷口區(qū)萌生大量的微裂紋,如圖12(b)所示。

    圖12 微動(dòng)疲勞裂紋瞬斷區(qū)的微裂紋

    Fig12Microcracksmorphologyoffreetingfatiguedamageregion

    3 結(jié) 論

    (1)35CrMoA鋼在不同路徑下表現(xiàn)出不同程度的循環(huán)軟化,方形加載下,前100周是緩慢軟化,100~250周次是快速軟化,之后到達(dá)穩(wěn)定;菱形加載下,前100周疲勞試樣發(fā)生快速循環(huán)軟化,隨后達(dá)到穩(wěn)定。

    (2)方形和菱形路徑下35CrMoA的疲勞壽命無(wú)明顯差異。

    (3)35CrMoA微動(dòng)區(qū)域形貌,粘著區(qū),具有輕微滑擦、碾壓、抹平的痕跡,滑移區(qū)具有明顯的滑動(dòng)磨損、溝槽的痕跡。方形路徑下的滑移區(qū)較寬,粘著區(qū)相對(duì)較窄;菱形路徑下則相反。

    (4)35CrMoA微動(dòng)疲勞斷口形貌特征,方形路徑下裂紋垂直于試樣表面擴(kuò)展,而菱形加載路徑下的微裂紋是曲折的,沿與軸線(xiàn)成一定角度的方向擴(kuò)展。

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    Thefrettingfatiguebehaviorof35CrMoAundersquareanddiamondpaths

    TIANDandan1,HEGuoqiu1,SHENYue1,LIUXiaoshan1,LVShiquan1,LINGuobin2,RENJingdong2,HUJie2

    (1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,TongjiUniversity,ShanghaiKeyLaboratoryforR&DandApplicationofMetallicFunctionalMaterials,Shanghai201804,China;2.MagneticSuspensionTrafficEngineeringTechnologyResearchCenterofTongjiUniversity,Shanghai201804,China)

    Inthispaper,thefrettingfatiguebehaviorof35CrMoAwasstudiedat150MPacontactstressand400MPaequivalentstressamplitudeundersquareanddiamondpaths.Thisincludedcyclestressresponsecharacters,fatiguelife,morphologicalcharacteristicsoffrettingspotandthefailurefracture.Theresultshows:undersquarepath, 35CrMoAreachedthestageofstabilitythroughslowandrapidsoftening,whileunderdiamondpath,itreachedthefinalstageonlythroughrapidsoftening;Thefatiguelifehavelittledifferenceunderthosetwopaths;Undersquarepath,theslipregioniswide,andthestickregionisrelativelynarrow,butoppositeunderdiamondpath;Thecrackextensionperpendiculartothesamplesurfaceundersquarepath,butfordiamondpath,themicrocrackistortuous,andextensiontoacertainanglewithaxis.

    35CrMoAsteel;loadingpath;frettingfatigue;frettingspot;fracturemorphology

    1001-9731(2016)05-05078-06

    “十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013BAG19B01)

    2015-09-10

    2016-01-10 通訊作者:何國(guó)球 ,E-mail:gqhe@#edu.cn

    田丹丹(1989-),女,山東菏澤人,在讀碩士,師承何國(guó)球教授,從事金屬材料疲勞與失效研究 。

    TG146.2+1

    A

    10.3969/j.issn.1001-9731.2016.05.014

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