交變載荷下化學鍍Ni2P合金在45鋼疲勞裂紋尖端的沉積行為研究

王章忠,周衡志,巴志新,白允強

(南京工程學院材料工程學院,南京211167)

交變載荷下化學鍍Ni2P合金在45鋼疲勞裂紋尖端的沉積行為研究

王章忠,周衡志,巴志新,白允強

(南京工程學院材料工程學院,南京211167)

研究了在交變載荷作用下,化學鍍液滲注到裂紋尖端的沉積行為對裂紋擴展速率的影響。用掃描電鏡觀察了化學沉積處理后裂紋面的形貌,并用能譜儀和X射線衍射儀對裂紋尖端鍍層進行了成分和物相分析,最后將未處理試樣與化學沉積處理過試樣的裂紋擴展速率進行對比。結(jié)果表明:裂紋尖端發(fā)生了明顯的鎳磷合金的沉積行為,且在裂紋尖端進行化學沉積處理能有效降低裂紋擴展的速率。

疲勞裂紋;化學沉積;裂紋擴展速率;裂紋擴展延滯

帶原始或后生裂紋的結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件在實際服役中出現(xiàn)過載、發(fā)生斷裂、造成災(zāi)難的現(xiàn)象屢見不鮮,開展疲勞研究、尋求有效對策,已成為材料強度科學領(lǐng)域中的一個重要分支[1-3]。

研究表明,電磁熱止裂(脈沖放電裂紋止裂)[4-7]、應(yīng)力波加載止裂[8-10]、激光熔覆止裂[11]和滲透填充法[12,13]等技術(shù),可有效阻止疲勞裂紋的進一步擴展,顯著提高材料的疲勞壽命。其中,電磁熱止裂的理論體系復雜,應(yīng)力波加載止裂和激光熔覆止裂技術(shù)的設(shè)備要求高,對合金整體影響較大;而滲透填充法能有效地延緩疲勞裂紋的擴展。但是,常用環(huán)氧樹脂、鋁粉末等固體填充材料很難達到微細裂紋尖端部位。若采用化學鍍液滲注技術(shù),沉積物將在裂紋尖端沉積并產(chǎn)生閉合效應(yīng),可延緩或延滯疲勞裂紋的擴展,但這方面的研究工作還鮮見報道。

本工作將研究在交變載荷作用下,化學鍍液在45鋼試樣預制裂紋尖端的沉積行為,探討該化學沉積對延緩裂紋擴展的作用效果,為今后研究新的止裂技術(shù)提供試驗基礎(chǔ)。

1 實驗

1.1 試樣預制裂紋方法

45鋼試樣經(jīng)840℃淬火+600℃回火后,按單邊缺口試樣標準[14]用電火花切取試樣的尺寸如圖1所示。然后在Am sler 100 HFP 5100型疲勞試驗機上,用三點彎曲的方法,在缺口的尖端進行疲勞裂紋的預制。預制時平均載荷為Pm=7kN,應(yīng)力幅為Pa=5kN,預制裂紋的長度在1mm左右。

不經(jīng)化學沉積和經(jīng)過化學沉積處理的試樣分別記為1#和2#。將試樣清洗干凈后,用OL YM PUS GX51型金相顯微鏡觀察裂紋尖端的形貌特征,并測量出原始裂紋尺寸長度a0。

圖1 帶有預制疲勞裂紋的試樣簡圖Fig.1 Schematic diagram of the samp le with a fatigue p re2crack

1.2 化學沉積工藝

化學沉積前對試樣進行前處理:粗細砂紙依次打磨→5%酒精溶液中超聲波清洗10m in→沖洗、吹干待用。實驗中選擇常溫化學滲鍍Ni工藝,配方見表1[15]。

表1 化學鍍鎳工藝配方Table 1 The chemical deposition fo rmula of eletroless p lanting Ni2P

按表1比例稱取均為分析純的試劑配置500mL鍍液,并充分攪拌;在交變載荷作用下,在裂紋處連續(xù)注鍍,經(jīng)過20m in的沉積后,測量出試樣的裂紋長度a1。

1.3 疲勞裂紋擴展研究方法

疲勞試驗時,采用三點彎曲的方法加載,試樣的裂紋面朝上。根據(jù)預制疲勞裂紋時的載荷,實驗時選擇應(yīng)力比R=0.1,經(jīng)計算平均載荷為Pm=3.844kN,應(yīng)力幅為Pa=3.145kN,加載時間20min。

將2#疲勞試樣剖開,用JSM 26360LV型掃描電鏡觀察疲勞裂紋面及裂紋尖端的形貌特征,加速電壓為20kV,并用能譜儀對裂紋面進行成分分析;用Bruker D82Advance型X射線衍射儀進行物相分析,Cu靶(Kα, λ=0.154nm),加速電壓為30kV,測量角度(2θ)的范圍在0～105°,步長為0.02°,掃描速度為1(°)/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 裂紋尖端化學沉積物的形貌觀察

圖2是2#樣剖開后疲勞裂紋尖端的SEM照片。由圖2可以很明顯地看出疲勞裂紋面形貌(上部白色區(qū)域)與斷裂裂紋差異較大,有一層覆蓋物沉積在其表面,說明在交變載荷作用下化學鍍液已經(jīng)在裂紋面上產(chǎn)生了沉積現(xiàn)象。

圖2 裂紋尖端的微觀形貌Fig.2 SEM morphology of the fatigue crack tip

圖3是2#樣裂間后部裂紋面上沉積覆蓋物的微觀形貌。由圖3可以看出,沉積物多為細小的顆粒狀,顆粒粒徑均勻,平均粒徑大約為20μm。裂紋尖端后部裂紋面上的顆粒沉積物即是由溶液中的Ni2+經(jīng)還原、沉積而形成的。

圖3 裂紋尖端沉積物的微觀形貌Fig.3 SEM mo rphology of the chemical deposits at the fatigue crack tip

2.2 裂紋尖端化學沉積物成分分析

圖4是圖3中矩形框所選區(qū)域的能譜分析圖,除基體Fe的信號外,還出現(xiàn)了P,Ni,O等元素的信號,表明在裂紋尖端發(fā)生了以P,Ni合金為主的沉積行為。

表2是經(jīng)EDS分析后得出的裂紋尖端處沉積物中各元素的含量。

從表2中可以看出,主要元素為Fe,是由于加載時裂紋張開角度小、沉積層較薄;Ni和P元素的質(zhì)量分數(shù)分別達到了3.78%和8.64%,遠遠高于45鋼基體中Ni和P的含量。由此可以判斷,裂紋尖端沉積物是一層很薄的鎳磷合金層。

圖4 裂紋尖端沉積物的能譜分析圖Fig.4 EDS result of the chemical deposits

表2 裂紋尖端處沉積物各元素含量Table 2 Element content of the chemical deposits at the fatigue crack tip

2.3 裂紋尖端化學沉積物的物相分析

圖5是2#樣裂紋尖端沉積物的XRD衍射圖,鎳磷合金的峰主要出現(xiàn)在衍射位置2θ在35°到55°之間。Ni2P相出現(xiàn)的衍射強度較高的三個衍射峰位置2θ分別為40.715°(111),44.613°(201)和54.198°(002); Ni12P5相的三強峰出現(xiàn)在2θ分別為38.410°(112), 46.961°(240)和48.961°(312)的位置。由此可以推斷,沉積膜層主要是以Ni2P和Ni12P5形式沉積、構(gòu)成的。

圖5 裂紋尖端化學沉積物的XRD衍射圖Fig.5 XRD patterns of the chemical deposits

2.4 疲勞裂紋擴展速率對比

1#和2#試樣疲勞試驗前后裂紋的長度見表3。通過計算各試樣裂紋的平均擴展速率,可分析在裂紋尖端進行化學沉積處理對疲勞裂紋擴展行為的影響。

表3 疲勞試驗前后裂紋的長度___Table 3 The crack length before and after fatigue test

1#試樣在疲勞機上進行循環(huán)加載試驗時,其頻率f1=87.00Hz,試驗循環(huán)加載時間為:

則試驗循環(huán)次數(shù)為:

疲勞裂紋擴展的長度為:

所以,求得1#試樣的裂紋平均擴展速率為:

同樣的,根據(jù)2#試樣在疲勞機上進行循環(huán)加載時的頻率為f2=106.50Hz,加載時間T=20min= 1200s,疲勞裂紋擴展的長度:Δa2=a32-a02= 47111μm,可求得2#試樣裂紋平均擴展速率為:通過以上數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn):裂紋尖端處經(jīng)化學沉積處理后的2#試樣的裂紋平均擴展速率遠小于1#試樣的,前者大約為后者的1/10。主要是由于將鍍液有效滲注到裂紋縫隙內(nèi),并在裂紋尖端尾部裂紋面上產(chǎn)生化學沉積,NiP沉積物誘導裂紋閉合和在裂尖附近產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,有效地降低疲勞裂紋的擴展速率,起到延長材料的疲勞使用壽命的作用。

3 結(jié)論

(1)在平均載荷為Pm=3.844kN,應(yīng)力幅為Pa= 3.145kN的交變載荷作用下,含Ni的化學鍍液能有效地滲注到45鋼裂紋內(nèi),并能在裂紋尖端產(chǎn)生明顯的化學沉積作用。

(2)沉積層主要是以Ni2P和Ni12P5的鎳磷合金形式沉積在裂紋尖端,生成的化學鍍膜薄且不均勻。

(3)裂紋尖端沉積的Ni2P合金能有效地延緩疲勞裂紋的擴展。

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Infiltration and Deposition of Electroless Planting Ni2PDeposits at Fatigue Crack Tip of 45 Steels Under A lternate Loads

WANG Zhang2zhong,ZHOU Heng2zhi,BA Zhi2xin,BA I Yun2qiang
(Department of Materials Science and Engineering,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)

The infiltration and deposition behavior of electroless p lanting Ni2P deposits at the fatigue crack tip of 45 steels under alternate loads was investigated firstly.The influence of the electroless p lanting Ni2P depositson the crack p ropagation rateswas analysed.Themo rphology and compositions of the chemical deposition were charactered by SEM,EDS and XRD,respectively.The crack grow th rates of the samp les w ith and w ithout chem ical deposition w ere compared.The results indicate that the deposition behavio r of electroless p lanting Ni2P alloy obviously occurres at the fatigue crack tip, w hich effectively reduces the crack grow th rates.

fatigue crack;chemical deposition;crack grow th rate;crack grow th retardation

TG115.5

A

100124381(2010)1120066203

江蘇省高校自然科學基礎(chǔ)研究計劃項目(07KJB430036)

2010201218;

2010207210

王章忠(1963—),男,教授,研究方向為結(jié)構(gòu)材料疲勞行為和表面工程,聯(lián)系地址:南京市江寧大學城弘景大道1號南京工程學院材料工程學院(211167),E2mail:zzww@njit.edu.cn