預(yù)制疲勞裂紋應(yīng)力強度因子幅對超高強度鋼斷裂韌度的影響

, ,

(西安航天動力機械廠, 西安 710025)

試驗與研究

預(yù)制疲勞裂紋應(yīng)力強度因子幅對超高強度鋼斷裂韌度的影響

劉曉菊,劉許龍,薛慶賀

(西安航天動力機械廠, 西安 710025)

采用多試樣法對D406A超高強度鋼進行了準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度KⅠC試驗，分析了不同應(yīng)力強度因子幅預(yù)制疲勞裂紋對疲勞預(yù)裂紋擴展周期、疲勞預(yù)裂紋擴展速率、試樣斷口形貌以及最終斷裂韌度試驗結(jié)果的影響。結(jié)果表明：疲勞預(yù)裂紋擴展周期和擴展速率均與應(yīng)力強度因子幅呈指數(shù)變化規(guī)律，斷口上的疲勞裂紋間距及最終斷裂韌度試驗結(jié)果均隨應(yīng)力強度因子幅的增大而增大，在材料斷裂韌度KⅠC的20%～30%選擇最大應(yīng)力強度因子進行KⅠC試驗結(jié)果較為穩(wěn)定。

疲勞預(yù)裂紋； 應(yīng)力強度因子幅； 超高強度鋼； 疲勞裂紋擴展速率； 斷裂韌度

斷裂韌度KⅠC是材料的固有性能，體現(xiàn)一定條件下材料阻止平面條件脆斷(起裂)的能力，其大小決定了構(gòu)件的承載能力以及脆斷傾向。除材料組織狀態(tài)、化學(xué)成分、第二相粒子等材料內(nèi)部因素外，試驗時試樣的幾何尺寸、取樣方向、試驗溫度、加載速率等對材料的斷裂韌度也都有一定影響[1-6]。一般認為加載速率dKⅠ/dt的變化對斷裂韌度試驗結(jié)果的影響較大，通常認為dKⅠ/dt每增加一個數(shù)量級，KⅠC下降約10%[7-9]，因此準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度試驗要求加載速率控制在0.5～3 MPa·m1/2·s-1，以減小該因素對試驗結(jié)果的影響。目前，對于疲勞預(yù)裂紋擴展過程中應(yīng)力強度因子幅的變化對材料斷裂韌度試驗結(jié)果影響的研究還較少，為此筆者以D406A超高強度鋼為研究對象，采用多試樣法進行準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度試驗，通過分析預(yù)制疲勞裂紋過程中不同應(yīng)力強度因子幅對試驗結(jié)果的影響，確定適合該材料預(yù)制疲勞裂紋的最佳應(yīng)力強度因子范圍。

1 試樣制備與試驗方法

1.1試樣制備

試驗材料為D406A超高強度鋼，熱處理狀態(tài)為淬火+低溫回火，其抗拉強度和屈服強度分別為1 760 MPa和1 440 MPa。試驗試樣為厚度B=16 mm、寬度W=32 mm的標(biāo)準(zhǔn)三點彎曲(SENB)試樣，彎曲試樣跨距S=4W，初始裂紋長度為13 mm。

1.2試驗方法

試驗時預(yù)制疲勞裂紋采用正弦波加載，加載頻率f=20 Hz，最小循環(huán)應(yīng)力與最大循環(huán)應(yīng)力之比R=0.1，試驗中加載應(yīng)力采用恒應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ(ΔKⅠ為預(yù)制疲勞裂紋時任一循環(huán)的最大應(yīng)力強度因子與最小應(yīng)力強度因子之差，即ΔKⅠ=KⅠmax-KⅠmin,KⅠmin/KⅠmax=0.1)控制，即整個試驗過程中ΔKⅠ保持恒定，預(yù)制疲勞裂紋長度為3 mm。

GB/T 4161-2007《金屬材料 平面應(yīng)變斷裂韌度KⅠC試驗方法》規(guī)定：預(yù)制疲勞裂紋時的最大應(yīng)力強度因子KⅠmax不能超過材料KⅠC的80%，且在裂紋長度的最后2.5%時KⅠmax不能超過材料KⅠC的60%。預(yù)估該超高強度鋼的斷裂韌度KⅠC=80 MPa·m1/2，在(20%～60%)KⅠC應(yīng)力強度因子范圍內(nèi)以恒定ΔKⅠ模式預(yù)制疲勞裂紋，以確保試驗結(jié)果的有效性。

試驗采用的ΔKⅠ分別為15，20，25，30，40，50 MPa·m1/2，預(yù)制疲勞裂紋完成后以0.5 mm·min-1的位移速率控制模式完成KⅠC試驗。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1ΔKⅠ對疲勞裂紋預(yù)制的影響

材料在低循環(huán)應(yīng)力作用下，位錯運動聚集達到一定的程度，便會在彈性區(qū)或小范圍屈服區(qū)內(nèi)進行亞臨界擴展，ΔKⅠ不同，位錯聚集的速率也不相同，因此達到疲勞預(yù)裂啟動的條件不同，相應(yīng)地完成疲勞預(yù)裂的條件也不相同。

圖1為不同ΔKⅠ下疲勞預(yù)裂紋開啟和結(jié)束時循環(huán)周期N的變化規(guī)律。從圖1a)可以看出：當(dāng)應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ較小時，疲勞預(yù)裂紋開啟所需要的周期N較長，相應(yīng)地完成疲勞預(yù)裂紋的時間也較長；當(dāng)應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ較大時，疲勞預(yù)裂紋開啟和完成的時間都較短。從圖1b)可以看出，疲勞預(yù)裂紋開啟和完成的循環(huán)周次N與加載的應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ呈指數(shù)變化關(guān)系。

圖1 ΔKⅠ對疲勞預(yù)裂紋開啟和完成的影響Fig.1 Effects of ΔKⅠ on intiating and completing of fatigue pre-cracks: a) the relation between N and ΔKⅠ; b) the relation between lgN and lgΔKⅠ

2.2ΔKⅠ對疲勞預(yù)裂紋擴展速率da/dN的影響

影響疲勞預(yù)裂紋擴展速率da/dN的因素較多，應(yīng)力比R、加載頻率、加載波形等均對疲勞預(yù)裂紋擴展速率有一定的影響，但當(dāng)測試環(huán)境穩(wěn)定時，這些因素的影響幾乎可以忽略不計[2]。在預(yù)制疲勞裂紋過程中，疲勞預(yù)裂紋擴展速率取決于材料抵抗裂紋擴展的能力和應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ。

疲勞預(yù)裂紋擴展速率da/dN與ΔKⅠ的關(guān)系如圖2所示，可以看出影響疲勞預(yù)裂紋擴展的因素主要有兩個方面。一方面,隨著疲勞預(yù)裂紋的不斷擴展，ΔKⅠ保持恒定時，疲勞預(yù)裂紋擴展速率在整個裂紋擴展過程中也不斷地增大，且ΔKⅠ越大，da/dN增大幅度也越大；應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ為15 MPa·m1/2時，疲勞預(yù)裂紋擴展速率da/dN由疲勞預(yù)裂紋開啟時的1.84×10-5mm·次-1，增大至疲勞預(yù)裂紋完成時的4.20×10-5mm·次-1，增幅為1倍以上。另一方面，隨著ΔKⅠ的不斷增大，疲勞預(yù)裂紋擴展速率da/dN也不斷增大，即ΔKⅠ越大， da/dN也越大，應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ由15 MPa·m1/2增加至50 MPa·m1/2時，疲勞預(yù)裂紋開啟時的da/dN由1.84×10-5mm·次-1增大至2.19×10-4mm·次-1，疲勞預(yù)裂紋完成時的da/dN由4.20×10-5mm·次-1增大至5.83×10-4mm·次-1，增幅達10倍以上。

圖2 ΔKⅠ對疲勞預(yù)裂紋開啟和完成時的裂紋擴展速率的影響Fig.2 Effects of ΔKⅠ on fatiguae crack propagation rate when fatigue pre-crack intiating and completing a) the relation between da/dN and ΔKⅠ; b) the relation between lg(da/dN) and lgΔKⅠ

圖2b)中疲勞預(yù)裂紋擴展速率變化規(guī)律與Pairs公式中描述的疲勞裂紋擴展速率與ΔKⅠ之間的關(guān)系相吻合。疲勞裂紋擴展速率與加載的ΔKⅠ呈指數(shù)關(guān)系：疲勞預(yù)裂紋完成時的疲勞裂紋擴展速率基本保持穩(wěn)定增長；疲勞預(yù)裂紋開啟時的疲勞裂紋擴展速率在應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ為25 MPa·m1/2時出現(xiàn)了細微的變化，應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ超過25 MPa·m1/2時，lg(da/dN)-lgΔKⅠ曲線斜率出現(xiàn)小幅降低。

2.3ΔKⅠ對試樣斷口形貌的影響

KⅠC試驗后試樣斷口宏觀形貌如圖3所示：ΔKⅠ為15～40 MPa·m1/2時，斷口上存在肉眼可見的疲勞臺階，靠近裂紋源區(qū)疲勞臺階間距較窄，沿疲勞裂紋擴展方向疲勞臺階間距逐漸加大；隨著應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ的增大，疲勞臺階間距也相應(yīng)增大；應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ為50 MPa·m1/2時，斷口上不再具有明顯肉眼可見的疲勞臺階。

圖3 不同ΔKⅠ下D406A鋼試樣KⅠC試驗后斷口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of fracture of D406A steel specimens after KⅠC test under different ΔKⅠ

使用JEOL JSM-6460LV掃描電鏡對斷口疲勞裂紋源區(qū)及疲勞裂紋擴展區(qū)進行觀察。從圖4可以看出：疲勞裂紋源區(qū)存在大量的、細密的疲勞條紋，且應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ越小，疲勞條紋越密集；疲勞裂紋沿與主應(yīng)力垂直方向穩(wěn)定擴展，在穩(wěn)定的疲勞應(yīng)力作用下，疲勞裂紋在疲勞裂紋尖端滑移機制和鈍化機制的相互作用下，出現(xiàn)了大量的疲勞條帶，應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ越大，其疲勞條帶間距也越大。疲勞裂紋擴展區(qū)斷口的變化規(guī)律與疲勞裂紋源區(qū)的一致，應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ較小時，斷口上的疲勞條帶分布較為密集；應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ不斷增大，疲勞條帶間距也逐漸增大。在交變應(yīng)力作用下，交變滑移面上的滑移引起裂紋張開和裂紋鈍化，應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ增大，交變應(yīng)力不斷增大，增大了裂紋張開的速率，裂紋尖端鈍化變慢甚至來不及鈍化，因此造成了疲勞條帶變寬，當(dāng)應(yīng)力強度因子幅超過某個臨界值時疲勞條帶便會消失。

圖5為各應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ下疲勞裂紋擴展區(qū)放大1 000倍形貌，可以看出疲勞裂紋擴展區(qū)呈現(xiàn)河流花樣和韌窩相結(jié)合的準(zhǔn)解理斷裂形貌。當(dāng)應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ為15 MPa·m1/2時，斷口形貌為大量的韌窩，韌窩尺寸大小不一，其中小韌窩數(shù)量居多；當(dāng)應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ增大為20～30 MPa·m1/2時，韌窩尺寸增大，數(shù)量減少，且韌窩深度變淺；當(dāng)應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ超過30 MPa·m1/2時，斷口僅有少量的韌窩?？梢婋S著試驗應(yīng)力強度因子幅的增大，斷口上的韌性斷裂特征所占比例逐漸減小。

2.4ΔKⅠ對斷裂韌度試驗結(jié)果的影響

不同應(yīng)力強度因子幅完成疲勞裂紋預(yù)制后進行KⅠC試驗，試驗結(jié)果見表1。從表1可以看出：隨著預(yù)制疲勞裂紋應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ的不斷增大，KⅠC也不斷增大，其中預(yù)制疲勞裂紋應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ為15～25 MPa·m1/2時，KⅠC增幅較小，增幅分別為0.62 MPa·m1/2和0.80 MPa·m1/2；應(yīng)力強度因子幅ΔKⅠ超過30 MPa·m1/2時，KⅠC增幅逐漸加大。

圖4 不同ΔKⅠ下D406A鋼試樣KⅠC試驗后斷口裂紋源區(qū)及擴展區(qū)微觀形貌，35×Fig.4 Micro morphology of crack source zone and propagation zone of the fracture of D406A steel specimens after KⅠC test under different ΔKⅠ, 35×

圖5 不同ΔKⅠ下D406A鋼試樣KⅠC試驗后斷口裂紋擴展區(qū)微觀形貌，1 000×Fig.5 Micro morphology of crack propagation zone of the fracture of D406A steel specimens after KⅠC test under different ΔKⅠ, 1 000×

出現(xiàn)這種試驗結(jié)果的原因是預(yù)制疲勞裂紋過程中試樣在交變應(yīng)力作用下，達到裂紋開啟條件需要吸收和傳導(dǎo)一定的能量，當(dāng)應(yīng)力強度因子幅過高時，快速的裂紋擴展導(dǎo)致試樣吸收的部分能量來不及傳導(dǎo)出去而被試樣吸收，由此帶來一定的試驗誤差。

由最終的試驗結(jié)果來看，在最終斷裂韌度試驗結(jié)果KⅠC的20%～30%選擇最大應(yīng)力強度因子預(yù)制疲勞裂紋，最終試驗結(jié)果相對穩(wěn)定，應(yīng)力強度因子較大時，疲勞預(yù)裂紋擴展較快可能會超出疲勞裂紋擴展標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的104～106周次內(nèi)預(yù)制疲勞裂紋的規(guī)定，同時也可能導(dǎo)致較大的試驗誤差。

表1 不同ΔKⅠ下的KⅠC試驗結(jié)果Tab.1 Test results of KⅠC under different ΔKⅠ MPa·m1/2

3 結(jié)論

(1) 疲勞預(yù)裂紋開啟、疲勞預(yù)裂紋完成及KⅠC試驗過程中的疲勞裂紋擴展速率da/dN與試驗過程中預(yù)制疲勞裂紋的應(yīng)力強度因子幅呈指數(shù)變化規(guī)律。

(2) 疲勞裂紋源區(qū)的疲勞裂紋數(shù)量隨試驗應(yīng)力強度因子幅的增大而減少，疲勞裂紋間距隨應(yīng)力強度因子幅的增大而增大；疲勞裂紋擴展區(qū)呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂特征，且隨應(yīng)力強度因子幅的增大，斷口中的韌性斷裂特征逐漸減少。

(3) 隨應(yīng)力強度因子幅的增大，斷裂韌度試驗結(jié)果不斷增大，且KⅠmax/KⅠC在30%以下時，增幅較小,KⅠmax/KⅠC在30%以上時，增幅較大。

(4) 綜合整個試驗過程，在材料斷裂韌度的20%～30%選擇最大應(yīng)力強度因子，KⅠC試驗結(jié)果較為穩(wěn)定，且可保證試驗的有效性。

[1] 王慧敏, 嚴(yán)紅革.平面應(yīng)變斷裂韌性KⅠC的研究[J].材料導(dǎo)報,2002,16(11):11-13.

[2] 康大韜.熱處理對鋼的斷裂韌性的影響[J].金屬熱處理,1981,6(1):3-10.

[3] 周一志,張明友,陳鐵群.化學(xué)成分對鋼的斷裂韌性的影響[J].武漢工學(xué)院學(xué)報,1982(1):67-78.

[4] 楊繼運,張行.材料斷裂韌度與試樣厚度關(guān)系研究[J].機械強度,2003,25(1):76-80.

[5] 何宇廷,傅祥炯,陳瑞.材料斷裂韌度測試中的厚度效應(yīng)[J].機械科學(xué)與技術(shù),1997,16(5):108-112.

[6] 徐杰,卓小敏,李朋朋.溫度對X80管線鋼韌/脆轉(zhuǎn)變區(qū)斷裂韌性的影響[J].工程力學(xué),2016,33(z1):56-61.

[7] 王兆希,張小亮,施惠基,等.厚度與加載速率對鐵素體鋼斷裂韌性影響的SP壓桿法實驗研究[J].實驗力學(xué),2008,23(3):219-226.

[8] 鄭修麟.材料的力學(xué)性能[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1991.

[9] 張志明.金屬材料斷裂韌性的研究[D].上海：上海交通大學(xué),2011.

EffectsofStressIntensityFactorRangeforFabricatingFatiguePre-cracksonFractureToughnessofUltra-HighStrengthSteel

LIUXiaoju,LIUXulong,XUEQinghe

(Xi’an Aerospace Power Machine Factory, Xi’an 710025, China)

The quasi-static fracture toughness (KⅠC) test of D406A ultra-high strength steel was carried out by using multi-sample method, the effects of stress intensity factor range for prefabricating fatigue crack on the fatigue pre-crack propagation cycle, fatigue pre-crack propagation rate, fracture surface morphology and ultimate fracture toughness were investigated. The results show that the fatigue pre-crack propagation cycle and rate were both of an exponential relationship with the stress intensity factor range, and the fatigue crack spacing on the fracture samples and the final fracture toughness increased with the increase of stress intensity factor ranges. If the maximum stress intensity factor was selected in the range of (20%-30%)KⅠCof the material, theKⅠCtest results would be relatively stable.

fatigue pre-crack; stress intensity factor range; ultra-high strength steel; fatigue crack propagation rate; fracture toughness

TG115.5+7

A

1001-4012(2017)10-0712-05

10.11973/lhjy-wl201710004

2017-01-06

劉曉菊(1985-)，工程師，主要從事理化檢驗工作，xiaoiel@163.com