悬弯疲劳裂纹扩展研究

2019-08-12郝建云

科技与创新 2019年14期

关键词：滴水微观裂纹

郝建云

悬弯疲劳裂纹扩展研究

郝建云

（智奇铁路设备有限公司研发中心，山西太原 030032）

通过将某牌号钢加工成悬弯试样，对试样进行滴水悬弯疲劳试验，观察疲劳裂纹的扩展规律，利用3D超景深显微观察系统观察表面裂纹，对比循环次数和裂纹长度，研究该牌号钢在腐蚀环境下的裂纹扩展速度。

疲劳试验；滴水；裂纹扩展；腐蚀坑

零部件和设备在正常的使用过程中经常会受到循环加载的作用力，或者在一定频率的振动工况中工作。这样零部件在受到循环应力的作用时，在零部件的表面或者表面浅层会出现微小裂纹，随着循环应力的继续作用，微小裂纹会发展成为宏观裂纹，在循环应力的继续作用下裂纹进一步扩展，最终直到完全断裂，使零部件失效而丧失了使用功能[1]。

1 实验

将某牌号钢制备成如图1所示的试样，试样表面分别采用600#、1000#和1800#砂纸对试样依次打磨，打磨呈光亮状态，消除试样表面机加工刀痕，打磨完成后的试样及表面状态如图2所示。疲劳试样钢的力学性能如表1所示。采用悬弯疲劳试验机对试样加载对称循环应力，疲劳试验机如图3所示。悬弯疲劳试验机使用砝码进行加载，加载力矩为240 MPa，转速为3 000 r/min，应力循环如图4所示，在做疲劳试验的整个过程中，试样表面持续滴去离子水，去离子水为pH=6.7的中性水，滴水频率保持在15滴/分钟。

图1 疲劳试样加工图（单位：mm）

图2 疲劳试验前试样表面状态

表1 疲劳试样钢的力学性能

疲劳极限数值 F1≥200 N/mm2 F2≥80 N/mm2 RfL≥250 N/mm2 RfE≥170 N/mm2 q=RfL/RfE≤1，47

图3 疲劳试验设备

图4 循环应力示意图

2 实验结果与讨论

疲劳试验试样表面裂纹扩展过程如图5所示，试验过程一直维持滴水状态。

图5（a）为经过30万次循环应力后表面状态，出现直径为Φ6～12 μm的圆形点蚀形貌，表面基本没有发现裂纹。图5（b）为经过170万次循环应力后的表面状态，点蚀坑直径增大到Φ19 μm，表面出现明显的裂纹形貌，裂纹长度为200 μm。图5（c）为经过270万次循环应力后表面状态，出现了大量的点蚀坑，表面出现的裂纹明显增多，所有的裂纹均从腐蚀坑或者点蚀坑沿着旋转方向扩展，裂纹长度分布在605～955 μm的范围内。

零部件的疲劳失效现象的发生可分为3个阶段：①第一阶段为微裂纹的产生阶段。在循环应力的作用下，零部件的表面或者近表面的晶粒受到的内部约束较少，位错容易受到循环应力的作用而溢出或者引发晶粒滑移，金属表面抵抗塑性变形的能力较弱，细微的微观裂纹很容易产生。此试验中，滴水使试样表面产生点蚀坑，同样为表面裂纹产生提供了条件。②第二阶段为宏观裂纹扩展阶段。由于点蚀坑或者腐蚀坑在金属表面产生，裂纹随着循环应力的不断进行，沿着与主应力垂直的方向（试样的圆周方向）扩展，如图5和表2所示，在试样横截面上产生了6～12 μm的裂纹。③第三阶段为疲劳断裂失效阶段。当裂纹逐步扩展直至零部件不足以抵抗循环载荷时，零部件就会突然断裂失效。

（a）30万次循环应力后表面状态

（b）170万次循环应力后表面状态

（c）270万次循环应力后表面状态

表2 疲劳试验试样表面裂纹长度

旋转次数/转点蚀坑直径/μm裂纹长度L/μm 306~12无 17019200 270—605～955

试样表面的疲劳裂纹的产生和扩展机理与其表面的微观状态、裂纹的力学状态、微观显微组织结构等多方面的因素有关。当试样受到循环应力后，伴随着滴水的进行，试样表面从点蚀坑处开始出现裂纹，并且沿着切变方向（圆周方向）扩展。裂纹的产生从微观角度分析，可以理解为表面或者近表面首先产生滑移带开裂，滑移产生微小裂纹后随着循环载荷的继续进行，表面或近表面位错的数量不断增加，当位错的数量增大到一定值时，有些距离很近的位错会结合到一起形成较大的位错，距离较远的位错暂时没有结合到一起。这样，在材料内部近表面处形成了位错不均匀现象，有的区域位错数量少但是单个位错体积相对较大，有的区域位错数量多但是单个位错体积小，这些位错在循环应力的作用下相互影响、相互作用，在循环应力持续的作用下，滑移带增长到一定程度后发展成为微小裂纹，微小裂纹进一步发展成为相对的大裂纹，实现了裂纹的生长[2]。对于滑移带的生长，从微观上观察，随着循环应力的持续作用，微观形貌较小的滑移带一方面会产生位移，另一方面也会继续生长。当循环应力作用足够长时间后，滑移带生长成为滑移线。

表面的点蚀部位为应力集中区域，极易产生滑移带。在循环应力及滴水工况的持续作用下，金属表面的点蚀区域为位错的运动和滑移带的产生提供了有力条件，当滑移线产生后，循环应力继续作用，滑移线不断增多，逐渐形成滑移线与滑移线连接的现象。而未连接的滑移带或滑移线不断被循环应力拉伸或挤压。从微观上看，当滑移带或滑移线挤入或挤出晶界的界面时，这些剩下的滑移带逐渐转变成滑移线。微观裂纹就是由这些滑移带不断生长产生的，并在材料表面或近表面形成微观裂纹，当这种微观裂纹足够深时，便形成了初始的宏观裂纹。

初始的宏观裂纹形成后，金属表面和近表面仍然存在未形成裂纹的位错、滑移带或滑移线，这些位错在循环应力作用下继续结合，滑移带继续生长成为滑移线，滑移线继续生长为微观裂纹，最终微观裂纹不断扩展生长成宏观裂纹，宏观裂纹不断扩展、连接，最终在循环交变载荷作用下形成主裂纹，主裂纹最大剪切应力面快速扩展。

随着裂纹的扩展，当主裂纹的长度大于临界裂纹极限时，裂纹扩展由生长阶段进入断裂阶段。在此阶段中，随着有效承载截面的减小，一旦截面有效承载力小于施加的载荷时，就会发生疲劳断裂现象。可以看出，疲劳裂纹寿命基本等于裂纹形成和扩展两个阶段时间总和。