C250鋼缺口扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂特征研究

劉麗玉，孔煥平，江志華，高翔宇

(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京100095；2.航空工業(yè)失效分析中心，北京100095；3.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京100095；4.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京100095)

0　引言

C250鋼是一種含18%Ni的馬氏體時效超高強度鋼，該鋼屈服強度高(1 700 MPa)，和傳統(tǒng)鋼的區(qū)別在于他通過冶金反應(yīng)來硬化，而與碳無關(guān)，在國外常作為軸類零件的主要材料[1-2]。與其他同強度的鋼比，C250鋼不僅強度高，同時韌性好，是現(xiàn)有材料中具有較高韌性的鋼種。C250鋼在火箭、導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)殼體、高性能軸和高性能齒輪等構(gòu)件上具有很大的應(yīng)用前景[3]。

作為軸類零件材料，扭轉(zhuǎn)疲勞是最重要的一類失效模式[4-7]。材料和零件的斷裂特征反映了整個斷裂過程中的相關(guān)信息，包括受力狀態(tài)、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)以及組織結(jié)構(gòu)等，因此斷裂特征的宏、微觀形貌與特定的斷裂機(jī)制相關(guān)。斷裂特征研究是研究材料斷裂過程和斷裂失效原因的重要方法[8]。C250作為一種特殊的鋼種，由于其自身材料的特性，其斷裂行為也與普通的鋼種存在一定的差異。而在工程應(yīng)用上，由于對一些特殊鋼種的斷裂特征缺乏研究，對于實際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題有時也存在失效模式判斷不清的現(xiàn)象。目前，針對材料的扭轉(zhuǎn)疲勞的研究主要集中在性能的研究上[9-10]，而對性能與斷裂行為之間的關(guān)系研究較少。對C250鋼在不同應(yīng)力比、不同循環(huán)壽命下的缺口扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂特征進(jìn)行分析，探討C250鋼缺口扭轉(zhuǎn)疲勞的斷裂特征和規(guī)律。

1　試驗材料與方法

試驗材料化學(xué)成分見表1。熱處理工藝參數(shù)為：820 ℃/1 h、空冷+480 ℃/6 h、空冷。其組織特征見圖1，為細(xì)小的板條狀馬氏體組織。缺口扭轉(zhuǎn)疲勞試驗采用圖2所示圓棒試樣，試驗在MTS809扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)上完成，試驗溫度為室溫(20 ℃)，選用缺口系數(shù)Kt=3，分別在應(yīng)力比R=0.1、0.5和-1下，進(jìn)行不同應(yīng)力下的缺口扭轉(zhuǎn)疲勞試驗。試驗后的斷口采用DM2000體式顯微鏡和JSM5600LV掃描電鏡進(jìn)行宏、微觀分析。

表1　C250鋼的主要化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1　Chemical composition of C250 steel (mass fraction /%)

圖1　C250鋼金相組織Fig.1　Metallographic structure of C250 steel

2　試驗結(jié)果與討論

在3種應(yīng)力比、不同應(yīng)力下C250鋼缺口扭轉(zhuǎn)疲勞試驗結(jié)果循環(huán)周次在103～106級。選擇代表循環(huán)壽命級別分別為103、104、105和106級下的斷口特征進(jìn)行分析研究。

2.1　C250鋼缺口扭轉(zhuǎn)疲勞斷口宏觀形貌類型

室溫、Kt=3、不同應(yīng)力比、不同切應(yīng)力下C250鋼缺口扭轉(zhuǎn)疲勞斷口宏觀特征見圖3～圖5。

從圖3可知，應(yīng)力比R=0.1的缺口扭轉(zhuǎn)疲勞試驗斷口，根據(jù)不同的切應(yīng)力水平呈現(xiàn)出3類不同的斷裂形貌：1)循環(huán)周次接近106級的斷口，如τmax=370 MPa、Nf=9.341×105斷口，宏觀呈現(xiàn)2個與軸向約呈45°方向的大斜面，斜面之間存在一處面積較小的平斷面。斜面上的斷裂特征可見明顯的擴(kuò)展棱線，而平斷面上的斷裂特征呈現(xiàn)磨損發(fā)亮的小臺階形貌。2)循環(huán)周次在105級的斷口，如τmax=440 MPa、Nf=3.772×105斷口，宏觀呈現(xiàn)一個整體與軸向垂直的斷面，但這個斷面起伏較大，斷面上呈現(xiàn)出由許多個從四周缺口根部往中心斜向擴(kuò)展的小斜面形成的溝壑形貌。3)循環(huán)周次在104級的斷口和循環(huán)周次在103級的斷口，如τmax=550 MPa、Nf=1.923 7×104和τmax=920 MPa、Nf=1.698×103的斷口，宏觀均呈現(xiàn)一個與軸向垂直的斷面，且相比于循環(huán)周次105級的斷口，這類斷口斷面整體平整，四周可見磨損發(fā)亮的扭轉(zhuǎn)棱線，中間偏一側(cè)為近似圓形的發(fā)暗區(qū)——纖維斷裂區(qū)。

圖2　室溫缺口扭轉(zhuǎn)疲勞試樣規(guī)格Fig.2　Dimension of torsional specimen

為便于描述，按照宏觀表現(xiàn)形貌，分別將上述3類斷裂形貌的斷口記為斜面狀斷口、棘輪狀斷口和平面狀斷口。

圖3　室溫、Kt=3、R=0.1時缺口扭轉(zhuǎn)疲勞斷口宏觀形貌Fig.3　Macro feature of notch torsional high-cycle fatigue at different RT，Kt=3，R=0.1

從圖4可知，應(yīng)力比R=0.5的缺口扭轉(zhuǎn)疲勞斷口呈現(xiàn)2類斷裂形貌：1)循環(huán)周次在106、105級的斷口，如τmax=620 MPa、Nf=4.583×106和τmax=780 MPa、Nf=1.968×105的2個斷口，為前所描述的棘輪狀斷口特征，且循環(huán)次數(shù)為106級的斷口比105級的斷口溝壑更少，即說明循環(huán)周次在105級的斷口棘輪狀特征尤為典型，與R=0.1下的宏觀特征變化趨勢一致。2)循環(huán)周次為104、103級的斷口，如τmax=780 MPa、Nf=4.803×104和τmax=1 000 MPa、Nf=1.425×103的斷口，則為前所描述的平面狀斷口特征，且隨著循環(huán)次數(shù)降低，中心纖維區(qū)平面所占的面積增大。

從圖5可知，應(yīng)力比R=-1(R<0)的缺口扭轉(zhuǎn)疲勞斷口呈現(xiàn)2類斷裂形貌：1)循環(huán)周次105級的斷口，如τmax=220 MPa、Nf=8.622×105下的試樣斷口呈現(xiàn)鋸齒狀。2)循環(huán)周次104級的斷口和循環(huán)周次103級的斷口，如τmax=270 MPa、Nf=1.454×104和τmax=400 MPa、Nf=7.047×103的2個斷口,呈現(xiàn)如前所描述的平面狀斷口形貌，但與R>0的斷口相比，由于受到雙向交變應(yīng)力作用，靠邊緣的周向扭轉(zhuǎn)平面更為粗糙。

圖4　室溫、Kt=3、R=0.5時缺口扭轉(zhuǎn)疲勞斷口宏觀形貌Fig.4　Macro feature of notch torsional high-cycle fatigue at RT，Kt=3，R=0.5

2.2　C250鋼缺口扭轉(zhuǎn)疲勞斷口特征

從宏觀分析結(jié)果可知，3個應(yīng)力比、不同應(yīng)力下，C250鋼缺口扭轉(zhuǎn)疲勞斷口按斷口形狀可以歸納為4類，這4類形狀下的斷口其起源和裂紋擴(kuò)展具有各自的特點：

1)斜面狀斷口。

以τmax=370 MPa，Nf=9.341×105的斷口為例，斜面狀斷口上2個大擴(kuò)展斜面各自起源于缺口表面，均沿與軸向約呈45°的方向擴(kuò)展，而在2個斜面之間的面積較小的平斷面上的缺口表面，也可見多條與軸向呈一定角度的斜裂紋，斜裂紋角度及擴(kuò)展方向與大斜面上的角度類似，說明斜面狀斷口上起源集中在試棒一側(cè)的缺口表面，每一條斜裂紋對應(yīng)一個起源，疲勞的擴(kuò)展主要以其中的1～2條裂紋為主，從而呈現(xiàn)出由1～2個斜斷面為主的斷口形貌。2個大斜面上微觀可見典型的疲勞條帶特征，斜斷面的擴(kuò)展后期為瞬斷區(qū)，可見拉長韌窩形貌；2個斜面之間的斜裂紋區(qū)以磨損特征為主(圖6)。因此，C250鋼缺口扭轉(zhuǎn)疲勞的斜面狀斷口特征為：扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋從缺口一側(cè)的表面多源起源，每個起源處的裂紋均沿同側(cè)的與軸向約呈45°的方向擴(kuò)展，但以少數(shù)的裂紋擴(kuò)展為主，呈現(xiàn)斜面狀斷口特征，且斷口上的斜面擴(kuò)展區(qū)可見典型的疲勞條帶特征。

圖5　室溫、Kt=3、R=-1時缺口扭轉(zhuǎn)疲勞斷口宏觀形貌Fig.5　Macro feature of notch torsional high-cycle fatigue at RT,Kt=3，R=-1

圖6　斜面狀斷口疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)微觀特征Fig.6　Micro features of inclined fracture

2)棘輪狀斷口。

棘輪狀斷口，如R=0.1、τmax=440 MPa、Nf=3.772×105的斷口，由多個由缺口表面往試樣中心放射的多個斜面組成，每個斜面對應(yīng)一個起源和擴(kuò)展，與斜面狀斷口類似，斜面上微觀可見典型的疲勞條帶；斜裂紋之間也存在與軸向垂直的平斷面，微觀呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)磨損特征(圖7)。因此，C250鋼缺口扭轉(zhuǎn)疲勞的棘輪狀斷口特征為：扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋從四周缺口表面多源起源，每個起源處的裂紋均沿同側(cè)的與軸向約呈45°的方向擴(kuò)展，且大多起點上的裂紋擴(kuò)展均勻，當(dāng)每一處起源位置的裂紋擴(kuò)展到一定程度，最后連接部分破斷而形成棘輪狀斷口。與斜面狀斷口類似，斜面擴(kuò)展區(qū)可見典型的疲勞條帶特征。

圖7　缺口扭轉(zhuǎn)疲勞棘輪狀斷口微觀特征Fig.7　Micro features of of ratcheting fracture

3)鋸齒狀斷口。

鋸齒狀斷口，如R=-1、τmax=220 MPa，Nf=8.622×105的斷口，與棘輪狀斷口類似，起源于四周缺口也可見多個斜面，扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋從四周缺口表面多源起源，但與棘輪狀的斷口不同的是，由于受雙向交變應(yīng)力作用，缺口表面各點起源后，裂紋分別沿著±45°的2個側(cè)斜方向擴(kuò)展，連鄰裂紋相交后形成鋸齒狀斷口(圖8)。

圖8　缺口扭轉(zhuǎn)疲勞鋸齒狀斷口起源位置Fig.8　Origin and expansion of the notched torsional fatigue sawtooth fracture

4)平面狀斷口。

平面狀斷口整個斷面平整，與軸向垂直。斷口分為2個區(qū)：斷口四周的環(huán)狀區(qū)和中心偏一側(cè)的圓形區(qū)。不同的平面狀斷口，圓形區(qū)在整個斷口面積所占的比例不一(圖9)。環(huán)狀區(qū)斷面上磨損發(fā)亮，可見周向扭轉(zhuǎn)擴(kuò)展棱線，為斷口的疲勞區(qū)。圓形區(qū)微觀為韌窩斷裂特征，為斷口的瞬斷區(qū)。平面狀斷口的疲勞裂紋從試棒圓周缺口根部起始，沿周向螺旋狀扭轉(zhuǎn)擴(kuò)展，微觀呈現(xiàn)摩擦磨損特征及二次裂紋形貌，未見典型的疲勞條帶。其中R=0.1、τmax=550 MPa、Nf=1.924×104的斷口在缺口一處起源位置可見高差臺階，臺階處可見類似棘輪狀斷口起源位置的斜裂紋，但斜裂紋較短，擴(kuò)展不充分，整個斷口上仍呈現(xiàn)以扭轉(zhuǎn)拉應(yīng)力為主的擴(kuò)展平面特征(圖10)。

圖9　平面狀斷口宏觀形貌Fig.9　Macro features of plane fracture

圖10　平面狀斷口微觀形貌Fig.10　Micro features of plane fracture

2.3　C250鋼缺口扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂規(guī)律及特點

不同應(yīng)力比、不同切應(yīng)力下的C250鋼缺口扭轉(zhuǎn)疲勞斷口特征研究表明：

1)3種應(yīng)力比下，C250鋼缺口扭轉(zhuǎn)疲勞斷口的宏觀特征按不同的循環(huán)周次可大致分為4類斷口形貌：第1類為斜面狀斷口，出現(xiàn)在應(yīng)力比R>0、高循環(huán)周次下的斷口上，如應(yīng)力比R=0.1、循環(huán)周次為106級的斷口；第2類為棘輪狀斷口，出現(xiàn)在應(yīng)力比R>0、中循環(huán)周次下的斷口上，如應(yīng)力比R為0.1和0.5、循環(huán)周次為105級的斷口；第3類為鋸齒狀斷口，出現(xiàn)在應(yīng)力比R<0、中高循環(huán)周次下的斷口上，如應(yīng)力比R=-1、循環(huán)周次為105級的斷口；第4類為平面狀斷口，出現(xiàn)在各種應(yīng)力比下、低循環(huán)周次下的斷口上，如循環(huán)周次為104和103級的斷口。

2)斷口隨著切應(yīng)力大小的演變規(guī)律為：應(yīng)力比R>0時，不同切應(yīng)力下的C250鋼缺口扭轉(zhuǎn)疲勞斷口隨著循環(huán)周次的降低，斷裂形貌呈現(xiàn)出由斜面狀斷口發(fā)展為棘輪狀斷口和平面狀斷口的趨勢；應(yīng)力比R<0時，一般不出現(xiàn)斜面狀斷口，隨著循環(huán)周次的降低，斷裂形貌呈現(xiàn)出由鋸齒狀斷口發(fā)展為棘輪狀斷口和平面狀斷口。

3)C250鋼缺口扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋疲勞起源均為多源，但不同應(yīng)力下(即不同的循環(huán)周次下)的斷口表現(xiàn)出不同的起源和擴(kuò)展特征。低應(yīng)力、高循環(huán)周次下的斜面狀斷口，起源雖為多源，但起源集中在缺口一側(cè)，且以1～2處起源擴(kuò)展為主，呈現(xiàn)1～2個擴(kuò)展大斜面特征。對于棘輪狀斷口和鋸齒狀斷口，則分別出現(xiàn)在應(yīng)力比R>0和R<0的中高循環(huán)周次斷口上，因為應(yīng)力比R>0時，是在單向交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，起源處的裂紋只能沿一個方向的45°傾斜擴(kuò)展，而應(yīng)力比R<0時，在雙向交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，各起源處的裂紋沿著±45°的2個側(cè)斜方向擴(kuò)展。高應(yīng)力下的平面狀斷口以平面擴(kuò)展為主。分析認(rèn)為：低的名義應(yīng)力下，疲勞裂紋優(yōu)先集中在一個小范圍區(qū)域的缺口根部起源，在切應(yīng)力作用下，萌生多條沿著與軸向約呈45°方向斜裂紋，并擇優(yōu)以少數(shù)的幾條(1～2條)裂紋擴(kuò)展為主，形成1～2個擴(kuò)展大斜面，由于在斜面上的擴(kuò)展特征未受到扭轉(zhuǎn)磨損作用，斜面的擴(kuò)展區(qū)上可看到典型的疲勞條帶特征。當(dāng)名義應(yīng)力升高，疲勞裂紋源區(qū)逐漸分散到整個圓周方向，從四周缺口根部萌生許多斜裂紋，往中心擴(kuò)展，且由于這些裂紋擴(kuò)展速率相差不大，將軸向斷面劃分成均勻臺階斜面，形成棘輪狀斷口和鋸齒狀斷口。當(dāng)名義應(yīng)力繼續(xù)升高，試棒四周缺口表面主要在拉應(yīng)力作用下，萌生裂紋并沿圓周方向擴(kuò)展，整個斷口呈現(xiàn)周向的扭轉(zhuǎn)磨損特征，由于磨損較重以及循環(huán)次數(shù)較低，斷口上一般觀察不到典型的疲勞條帶。

3　結(jié)論

1)C250鋼缺口扭轉(zhuǎn)疲勞斷口按宏觀特征可大致分為斜面狀、棘輪狀、鋸齒狀和平面狀等4類斷口形貌。斜面狀和棘輪狀斷口一般出現(xiàn)在應(yīng)力比R>0、循環(huán)周次在105級以上的斷口上；鋸齒狀斷口一般出現(xiàn)在應(yīng)力比R<0、循環(huán)周次在105級以上的斷口上；平面狀斷口一般出現(xiàn)在循環(huán)周次在各種應(yīng)力比下、104級及以下的斷口上。

2)C250鋼缺口扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂行為：斜面狀斷口的疲勞從一側(cè)的缺口表面多源起源，往另一側(cè)擴(kuò)展發(fā)生斷裂；其他3類斷口的疲勞從試棒四周的缺口表面多源起源。棘輪狀斷口每個起源處的裂紋均沿同側(cè)的與軸向約呈45°的方向擴(kuò)展，鋸齒狀斷口每個起源后分別沿著±45°的2個側(cè)斜方向擴(kuò)展；平面狀斷口不出現(xiàn)斜面特征，從缺口四周起源后，沿周向螺旋狀扭轉(zhuǎn)拉伸狀擴(kuò)展。

[1] 李偉. 固溶冷卻速率對C250鋼奧氏體含量的影響[J]. 金屬熱處理,2011,36(8):82-84.

[2] 王欣,江志華,曾侯祥. 噴丸對18%Ni型超高強度鋼低周疲勞性能影響[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2014,40(5):608-612.

[3] 姜越,尹鐘大,朱景川, 等. 超高強度馬氏體時效鋼的發(fā)展[J]. 特種鋼,2004,25(2):1-5.

[4] 劉松. 花鍵軸斷裂原因分析[J]. 失效分析與預(yù)防,2013,8(1):30-34.

[5] 蘆敬安,畢虎才. 17-4PH馬氏體鋼轉(zhuǎn)動軸斷裂失效分析[J]. 兵器材料科學(xué)與工程,2012,35(3):79-81.

[6] 劉古峰,王榮,雒設(shè)計. S135鉆桿鋼扭轉(zhuǎn)疲勞壽命及斷裂特征[J]. 河南化工,2011,28(1):39-42.

[7] 于筍,周秋菊,張維明. 汽車發(fā)動機(jī)曲軸斷裂分析[J]. 理化檢驗:物理分冊,2005,41(1):29-31.

[8] 張棟,鐘培道,陶春虎,等. 失效分析[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,2004:130-134.

[9] 趙興華,蔡力勛,江志華,等. C250鋼漏斗試樣扭轉(zhuǎn)低周疲勞研究[J]. 航空材料學(xué)報,2015,35(3):83-88.

[10] Davoli P, Bernasconi A, Filippini M, et al. Independence of the torsional fatigue limit upon a mean shear stress[J]. International Journal of Fatigue,2003,25(6): 471-480.