SUJ2軸承鋼超長壽命疲勞行為研究

李永德,張莉莉,張　沖,賀瑩瑩

(1 河北工程大學 裝備制造學院，河北 邯鄲 056038;2 達力普石油專用管有限公司 技術(shù)中心，河北 滄州 061000;3 山東省分析測試中心，濟南 250014;4 江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625)

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SUJ2軸承鋼超長壽命疲勞行為研究

李永德1,2,張莉莉1,張沖3,賀瑩瑩4

(1 河北工程大學 裝備制造學院，河北 邯鄲 056038;2 達力普石油專用管有限公司 技術(shù)中心，河北 滄州 061000;3 山東省分析測試中心，濟南 250014;4 江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625)

超長壽命疲勞；夾雜物；GBF相對尺寸；裂紋擴展

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，在飛行器、高速列車、汽車、發(fā)動機、海洋結(jié)構(gòu)、MEMS以及生物醫(yī)學等許多工程應(yīng)用中，材料和結(jié)構(gòu)經(jīng)常面臨著高頻低幅載荷，承受重復載荷次數(shù)可高達千兆周次，因此對構(gòu)件的疲勞設(shè)計壽命要求通常達到108周次以上，有的甚至達到1011周次[1-7]。美國空軍“發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性大綱(Engine Structural Integrity Program，ENSIP)”已經(jīng)增加了條例，規(guī)定“發(fā)動機部件超高周疲勞壽命應(yīng)達到109周次”[8]。因此，有必要對材料在108～1011周次之間的疲勞行為和疲勞機理進行系統(tǒng)的研究，并以此作為這一階段疲勞安全設(shè)計的依據(jù)。通常，將循環(huán)周次超過107周次的疲勞行為稱為超長壽命疲勞(Ultra-Long Life Fatigue,ULF)[9]，也稱為超高周疲勞(Very High Cycle Fatigue,VHCF)[10]、千兆周疲勞(Gigacycle Fatigue,GCF)[5]或超高周疲勞(Ultra High Cycle Fatigue,UHCF)[11]。

對于高強鋼的超長壽命疲勞，裂紋通常從內(nèi)部非金屬夾雜物處萌生，斷口宏觀形貌表現(xiàn)為典型的“魚眼”狀。對于具有較長壽命的樣品 (≥106周次)，在“魚眼”內(nèi)部存在一個特殊形貌區(qū)域，Murakami等[12]稱之為光學暗區(qū)(Optically Dark Area,ODA)；Shiozawa等[13]稱之為顆粒狀亮面(Granular Bright Facet,GBF)，其他學者對這一區(qū)域也有其他不同命名[14-16]。研究表明[17]，GBF中的裂紋萌生與擴展壽命在整個超長壽命疲勞中約占90%以上，可見GBF在超長壽命疲勞中起到了關(guān)鍵作用。關(guān)于GBF形成機理的研究，文獻[7,12]中提出了幾個定性的描述模型。但也有一些不同的報道，認為GBF并不是高強鋼超長壽命疲勞的特有形貌，在某些超長壽命疲勞樣品的斷口上，裂紋源夾雜物的周圍并無GBF區(qū)[18]；GBF形貌與外加應(yīng)力比和氫濃度有關(guān)[18,19]。

1　實驗材料及方法

實驗材料為SUJ2軸承鋼，其化學成分如表1所示。將原始棒材粗加工為標準的拉伸樣品(直徑為φ5mm)和超聲疲勞樣品，并留出一定的加工余量。粗加工后進行熱處理，工藝為：加熱到860℃保溫20min油淬，再經(jīng)180℃回火保溫2h后空冷。熱處理后金相組織為回火馬氏體。超聲疲勞試樣尺寸如圖1所示。實驗前依次用800#，1000#和1200#砂紙對試樣中間部分進行最終研磨拋光處理， 盡量減小表面加工痕跡對實驗的影響。

表1　SUJ2軸承鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1　Chemical composition of SUJ2 bearing steel (mass fraction/%)

圖1　超聲疲勞樣品尺寸Fig.1　Dimension of the sample used in ultrasonic fatigue testing

疲勞實驗在USF-2000超聲疲勞試驗機上進行，共振頻率為20kHz，共振間歇時間比為150∶150，載荷比R=-1，最大循環(huán)周數(shù)為1×109。實驗時采用壓縮空氣冷卻，實驗環(huán)境為室溫；在WinWDW-300E萬能試驗機上進行拉伸實驗，位移速率為3mm/min；在SUPRA55熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)上進行斷口形貌觀察；用能譜儀(EDS)分析裂紋源區(qū)化學成分。為了分析GBF內(nèi)的裂紋擴展規(guī)律，采用兩步變幅加載技術(shù)(Two-Step Variable Amplitude Loading,TSAL)對樣品加載，然后通過觀察不同初始壽命時斷口上GBF裂紋的尺寸建立GBF裂紋擴展規(guī)律，詳細介紹見文獻[20]。為了與TSAL相區(qū)分將恒幅加載方式記為CAL(constant amplitude loading)。

2　實驗結(jié)果

2.1裂紋源區(qū)形貌觀察

SUJ2軸承鋼的抗拉強度為1745MPa，維氏硬度為7909MPa，采用升降法計算得到疲勞強度為765MPa。本次實驗的裂紋源均為內(nèi)部缺陷，宏觀上呈現(xiàn)為典型的“魚眼”形貌，如圖2所示。用能譜分析裂紋源可知，裂紋源有4種：鈣、鋁和鎂的復合氧化物(Al2O3·(CaO)x·(MgO)y)、 鐵和鉻的合金碳化物((FeCr)xCy)、內(nèi)部基體和TiCN。大部分裂紋源為Al2O3·(CaO)x·(MgO)y，所占比例為82%。圖3為4種裂紋源兩端斷口的微觀形貌。圖3 (a-1)，(a-2)中裂紋源為Al2O3·(CaO)x·(MgO)y，可見夾雜物僅出現(xiàn)在一端斷口上，另一端斷口上為夾雜物脫落留下的空洞，表明裂紋從夾雜物與基體界面處萌生，導致夾雜物脫落 (斷裂條件：σa=780MPa，Nf=1.76×108)。與圖3(a-1)，(a-2)相似，圖3(b-1)，(b-2)中TiCN夾雜物也只出現(xiàn)在一端斷口上，另一端斷口上為夾雜物脫落留下的空洞，裂紋萌生機理與鋁復合夾雜物相同 (斷裂條件：σa=740MPa，Nf=5×107未斷，σa=1020MPa，Nf=5.57×104)。可知，TiCN夾雜物形狀類似于正八面體，較尖銳，在夾雜物與基體界面具有較高的應(yīng)力集中。圖3(a-2)，(b-2)中，夾雜物的周圍均存在一個特殊形貌區(qū)域，與周圍裂紋擴展形貌有明顯差別，這就是Shiozawa等[13]提到的GBF區(qū)域。對比可知，圖3(b-2)中GBF邊緣比圖3(a-2)的GBF邊緣更加清晰、尖銳，這也證實了TSAL方法可用于分析GBF裂紋擴展規(guī)律。圖3(c-1)，(c-2)中兩端斷口裂紋源處均有(FeCr)xCy，表明裂紋萌生是由(FeCr)xCy本身開裂引起的，與Al2O3·(CaO)x·(MgO)y和(FeCr)xCy不同，這與Furuya等[21]報道的實驗現(xiàn)象一致(圖3(c-1)，(c-2)樣品的斷裂條件：σa=1020MPa,Nf=2.11×105)。圖3(d-1)，3(d-2)中裂紋源處能譜分析均為基體成分，在裂紋源處可見顆粒狀特征的GBF形貌(斷裂條件：σa=1060MPa,Nf=4.35×105)。

圖2　魚眼形貌Fig.2　Morphology of fish-eye

圖3　裂紋源區(qū)微觀形貌　(a)鈣鋁鎂復合氧化物；(b)TiCN；(c)鐵鉻合金碳化物；(d)內(nèi)部基體；(1)左端；(2)右端Fig.3　Microscopic morphologies of crack origins　(a)composite oxide of Ca,Al and Mg；(b)titanium carbonitride；(c)iron chromium carbide；(d)inner matrix；(1)the left side；(2)the right side

2.2裂紋源尺寸

圖4　斷口上夾雜物分布(a)與缺陷尺寸極值統(tǒng)計分布(b)Fig.4　Inclusion distribution at the fracture surface(a) and extreme value statistics for defect size at the fracture origin(b)

3　分析討論

(1)

根據(jù)裂紋擴展速率和裂紋尖端塑性區(qū)尺寸的相互關(guān)系，Yang等[29]提出了GBF尺寸的預測方程，即：

(2)

(3)

(4)

圖5　GBF相對尺寸與ΔKinc的關(guān)系(a)SUJ2;(b)SUP-QT,SCV-QT和G-QT[25];(c)60Si2CrV,60Si2Cr和60Si2Mn[26];(d)TT150[28]和NSH1[27]Fig.5　Relationship between the relative GBF size and ΔKinc(a)SUJ2;(b)SUP-QT,SCV-QT and G-QT[25];(c)60Si2CrV,60Si2Cr and 60Si2Mn[26];(d)TT150[28] and NSH1[27]

圖5中不同顏色實線代表了相應(yīng)材料按式(4)擬合的曲線，可見實驗結(jié)果與式(4)能夠較好吻合。在擬合式(4)時，近似采用抗拉強度Rm代替ReL，因為對于高強鋼而言，一般情況下Rm與ReL相差不大，對于某些高強鋼材料甚至沒有屈服現(xiàn)象(如本實驗材料SUJ2)。在上述討論中，實驗材料均采用淬火+回火的高強鋼，沒有考慮氫的影響，實際上氫含量CH對GBF尺寸有顯著影響，因此圖5中實驗結(jié)果與擬合曲線的偏差被認為是由氫造成的。

圖6　夾雜物尺寸與ΔKinc的關(guān)系Fig.6　Relationship between the inclusion size and ΔKinc

3.2GBF內(nèi)裂紋擴展規(guī)律

GBF在高強鋼的超長壽命疲勞中起到了十分關(guān)鍵的作用，因此關(guān)于GBF的形成機理一直是研究的熱點之一[7,12,17,21]。研究表明，GBF相對尺寸與疲勞壽命存在一定的對應(yīng)關(guān)系，即隨著疲勞壽命的增加，GBF相對尺寸增加。根據(jù)實驗結(jié)果前人分別擬合了GBF相對尺寸與疲勞壽命之間的關(guān)系(式(5)[24]，(6)[30])。

(5)

(6)

整理式 (6)為

(7)

圖7　GBF相對尺寸與疲勞壽命的定量關(guān)系及GBF內(nèi)裂紋擴展規(guī)律(a)不同高強鋼的疲勞壽命與GBF相對尺寸的關(guān)系;(b)相同氫含量時疲勞壽命與GBF相對尺寸的關(guān)系;(c)GBF內(nèi)裂紋擴展規(guī)律;(d)GBF內(nèi)裂紋擴展示意圖Fig.7　Relationship between fatigue life and relative GBF size and the crack growth rule in GBF(a)fatigue life vs relative GBF size for different high strength steels;(b)fatigue life vs relative GBF size for high strength steels with the same hydrogen content;(c)crack growth rule in GBF;(d)illustration of crack growth in GBF

(8)

Tanaka等[16,35]認為，GBF中裂紋擴展規(guī)律可以用Paris公式來表征，積分整理后得到：

(9)

式中C和m均為材料常數(shù)。整理后得到：

(10)

4　結(jié)論

(1)不同裂紋源處的開裂機理不同，對于復合氧化物和TiCN來說，裂紋從夾雜物與基體界面處萌生，而鐵和鉻的合金碳化物則為夾雜物本身開裂。

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Ultra-long Life Fatigue Behavior of SUJ2 Bearing Steel

LI Yong-de1，2,ZHANG Li-li1,ZHANG Chong3，HE Ying-ying4

(1 Equipment Manufacturing College,Hebei University of Engineering,Handan 056038,Hebei,China;2 Technology R & D Center,Dalipal Pipe Group Co.,Ltd.,Cangzhou 061000,Hebei,China;3 Shandong Analysis and Test Center,Jinan 250014,China;4 Jiangsu Iron & Steel Research Institute(Shagang),Zhangjiagang 215625,Jiangsu,China)

ultra-long life fatigue;inclusion;relative GBF size;crack propagation

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.08.014

TG142.1

A

1001-4381(2016)08-0085-08

國家自然科學基金資助項目(51101094)；河北省高等學?？茖W技術(shù)研究重點資助項目(ZD2015045)；河北工程大學青年學術(shù)骨干基金(HBE-Yooth001)；河北工程大學博士專項基金(HBE2014004)；河北省自然科學基金(E2015402111)

2014-08-14;

2015-09-23

李永德(1981-)，男，博士，研究方向：疲勞與斷裂及失效分析，聯(lián)系地址：河北省邯鄲市光明南大街199號河北工程大學 (056038)，E-mail:ydli@alum.imr.ac.cn