菱形加載路徑下35CrMoA鋼的微動疲勞行為

呂世泉，何國球，沈　月，田丹丹，劉曉山，林國斌，任敬東，胡　杰

(1 同濟大學 材料科學與工程學院 上海市金屬功能材料開發應用重點實驗室，上海 201804；2 同濟大學 磁浮交通工程技術研究中心，上海 201804)

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菱形加載路徑下35CrMoA鋼的微動疲勞行為

呂世泉1，何國球1，沈月1，田丹丹1，劉曉山1，林國斌2，任敬東2，胡杰2

(1 同濟大學 材料科學與工程學院 上海市金屬功能材料開發應用重點實驗室，上海 201804；2 同濟大學 磁浮交通工程技術研究中心，上海 201804)

采用MTS809拉扭復合疲勞試驗機、掃描電鏡(SEM)研究了接觸應力為150MPa時35CrMoA合金鋼在菱形加載路徑下微動疲勞性能。結果表明：隨著等效應力幅值的增加，材料的軟化、硬化效果更加明顯；剪應力-剪應變滯后回線的面積增大；裂紋萌生源區的面積減小，瞬斷區面積與總斷面面積的比例增加，瞬斷區的撕裂也越嚴重。微動磨損使表面塑性枯竭，從而形成疲勞裂紋源。

35CrMoA；菱形加載；微動疲勞；等效應力幅值；斷口形貌；裂紋源

微動指接觸表面間發生的極小幅度相對運動，位移幅值通常在數微米至數十微米范圍[1,2]。微動疲勞促使疲勞裂紋萌生和加速擴展,從而導致構件過早失效破壞,它是一種伴隨微動磨損的疲勞強度和疲勞壽命問題。研究表明，微動能使構件的疲勞強度降低20%～80%甚至更多[3,4]。在航空航天、交通等領域微動疲勞是構件失效的主要原因之一[5]。為了保證設備或零部件更加安全平穩地運行,研究其微動磨損特性具有非常重要的意義[6]。微動疲勞受多種因素的影響，據Hills等[7]報道，有多達50余種因素影響微動疲勞過程；Iyer通過系統的實驗和計算發現，多個主要變量中只存在兩個獨立變量，即等效應力幅值和接觸應力，它們成為探索微動疲勞損傷機理的兩個關鍵因素[8]。我國在微動損傷研究方面雖然取得了一些進展[9,10]，但是與國外的研究水平還存在一定的差距。

本工作主要研究不同等效應力幅值下35CrMoA合金鋼的微動疲勞性能。35CrMoA合金鋼在高速列車輪軸上得到了廣泛應用，高速列車輪軸運轉過程中不可避免地發生微動磨損，導致微動疲勞發生，危及乘客安全[11]，因此，研究等效應力幅值對35CrMoA合金鋼微動疲勞的影響，對提高列車運行安全性，推動中國高鐵的發展具有重要的參考價值。

1　實驗材料與方法

實驗材料為35CrMoA合金鋼，其化學成分(質量分數/%)如下：C 0.32～0.39, Cr 0.80～1.10, Mo 0.15～0.25, Mn 0.4～0.7, Si 0.17～0.37, P 0.013, S 0.006, 其余為Fe。

實驗前對材料進行熱處理，具體工藝如圖1所示。首先，將35CrMoA鋼放在預先加熱的箱式電阻爐中，在850℃下固溶處理，保溫時間為25min；然后，將試樣迅速放入淬火油中冷卻；之后，再放入箱式電阻爐中，在550℃下回火60min；最后，將試樣放入油中冷卻[12]。

圖1　35CrMoA鋼熱處理工藝示意圖Fig.1　Schematic diagram of heat treatment of 35CrMoA steel

將熱處理后的材料加工成標準尺寸的微動疲勞試樣以及配套微動橋。然后將試樣在MTS809型電液伺服疲勞試驗機上進行實驗。圖2為實驗示意圖，應力幅值通過P1調節，接觸應力通過P2控制。

圖2　實驗示意圖Fig.2　Schematic diagram of experiment

在菱形加載路徑(軸向采用載荷控制模式，軸向應力比R=-1；扭向采用扭矩控制模式，扭向應力比R=-1)下，測試35CrMoA合金鋼的微動疲勞性能。本實驗接觸應力設置為150MPa，等效應力幅值分別取400,500,600MPa進行實驗，每組平行試樣為3個。

2　結果與分析

2.1不同等效應力幅值下的疲勞壽命

表1所示接觸應力為150MPa，不同等效應力幅值(400,500,600MPa)對應的疲勞壽命。等效應力幅值由400MPa增加到500MPa，疲勞壽命下降為原來的1/2左右；當等效應力幅值由500MPa增加到600MPa時，疲勞壽命不足之前的1/4。隨著等效應力幅值的增大，疲勞壽命的降低幅度顯著增加。

表1　菱形加載路徑下不同等效應力幅值的35CrMoA鋼微動疲勞實驗結果

2.2等效應變隨循環周次變化特性

圖3　不同等效應力幅值下等效應變隨微動疲勞周期的演變規律Fig.3　The relationship between equivalent strain and fretting fatigue cycles under different equivalent stress amplitudes

圖3是在接觸應力為150MPa，等效應力幅值分別為400,500,600MPa下等效應變隨微動疲勞循環周次的變化規律，可以看出，當接觸應力為150MPa不變時，在循環前100周次內，等效應變不斷增大，說明在這一階段微動疲勞試樣開始發生循環軟化現象，并且隨著等效應力幅值的增大，微動疲勞過程中材料發生循環軟化的程度越嚴重。循環100周次后，在不同的等效應力幅值下，材料發生了不同的變化。當等效應力幅值為400MPa時，等效應變幅值基本保持在穩定值，材料達到飽和狀態；當等效應力幅值為500MPa和600MPa時，等效應變幅值均減小，出現循環硬化現象，但循環硬化的幅度和趨勢有所不同。當等效應力幅值為500MPa時，循環200周次后出現循環硬化現象，在循環5000周次后達到飽和狀態，并且循環硬化的現象非常明顯；當等效應力幅值為600MPa時，循環100周次后出現循環硬化現象，500周次后即達到飽和狀態，并且循環硬化的現象相對不明顯。

縱觀材料在各個應變幅下的循環變形行為可以發現，材料應力水平的變化始終與材料的回火馬氏體和鐵素體組織有關[13]。材料在循環變形過程中表現出來的應力水平變化源于回火馬氏體的微觀循環軟化以及鐵素體的微觀循環硬化，并且始終貫穿于材料的整個循環變形過程中。在變形初期，回火馬氏體板條內部位錯密度很高，位錯的滑移會造成大量位錯的相消湮滅，致使位錯密度下降較快，微觀循環軟化效果明顯；而鐵素體內初始位錯密度很低，在變形初期，位錯密度逐步升高，但速度較慢，微觀循環硬化效果不甚明顯[14]。因此在變形初期，回火馬氏體的快速明顯的循環軟化和鐵素體的不甚明顯的微觀循環硬化共同作用，使材料在變形初期表現為宏觀上快速明顯的循環軟化。隨著變形的進行，回火馬氏體的微觀循環軟化程度逐步降低，即位錯相消湮滅的速率下降；同時鐵素體內位錯密度逐漸升高，由原來的纏結逐步發展到聚集成束，最后形成不太明顯的胞狀位錯結構，微觀循環硬化效果增強。此時，材料宏觀上表現為應力水平變化不明顯，因此微觀循環軟化和微觀循環硬化始終貫穿于材料的低周疲勞變形過程中。材料在不同階段，何種因素占優勢，就表現為該優勢下的宏觀變形行為[15,16]。

2.3扭向剪應力-剪應變滯后回線

圖4為接觸應力150MPa，循環周次相同時，不同等效應力幅值下的剪應力-剪應變滯后回線。從圖4可以明顯地看出，隨著循環周次的增加，剪應力-剪應變滯后回線面積逐漸減小，并且循環前10周次，其滯后回線面積較大。這是由于在這一階段施加在材料上的剪切載荷，使得試樣與摩擦副之間摩擦較為劇烈，微動過程中材料內部組織消耗的內耗功和微動摩擦功都較大，即消耗的不可逆功較大，這樣剪應力-剪應變滯后回線就較大。當循環進行到100周次后，滯后回線面積變化較??；當循環進行到500周次后，滯后回線面積已經相對窄小，并且保持穩定。此時由于接觸表面間相對滑移較小，微動磨損產生的摩擦功也較小，使得微動疲勞過程中消耗的不可逆功較少。

圖4　不同等效應力幅值下的剪應力-剪應變滯后回線　(a)5周次；(b)10周次；(c)100周次；(d)500周次Fig.4　The shear stress-strain cycle hysteresis loops under different equivalent stress amplitudes(a)5 cycles；(b)10 cycles；(c)100 cycles；(d)500 cycles

此外，從圖4還可以看出，隨著等效應力幅值的增大，剪應力-剪應變滯后回線的面積增大。這是因為等效應力幅值的增大，在宏觀上表現為微動接觸面之間摩擦力更大，導致微動磨損產生的摩擦功也較大，因而滯后回線的面積增大。

2.4斷口與微動損傷區形貌

2.4.1宏觀斷口形貌

微動疲勞性能主要取決于裂紋的萌生和擴展，所以微動疲勞機理研究主要是圍繞微動疲勞裂紋的萌生和早期擴展展開[17]。圖5是在接觸應力為150MPa，等效應力幅值分別為400,500,600MPa下的微動疲勞試樣宏觀斷口形貌，可以看出，當等效應力幅值較小時，由于其微動疲勞壽命較長，疲勞裂紋擴展特征清晰可見，該區域斷口平滑，說明疲勞裂紋在微動疲勞初期擴展較慢；當等效應力幅值較大時，由于疲勞壽命較短，疲勞裂紋擴展區已不明顯，但在斷口處仍可見磨損和氧化嚴重的裂紋源形成于微動摩擦磨損區。隨著等效應力幅值的增大，裂紋萌生源區的面積減小，瞬斷區面積與總斷面面積的比例增加，瞬斷區的撕裂也越嚴重。

圖5　不同等效應力幅值下的微動疲勞試樣宏觀斷口形貌　(a)P=400MPa；(b)P=500MPa；(c)P=600MPaFig.5　The fretting fatigue fracture morphology under different equivalent stress amplitudes(a)P=400MPa；(b)P=500MPa；(c)P=600MPa

2.4.2微動損傷區形貌

圖6是在等效應力幅值為400MPa時的微動斑裂紋，該裂紋位于滑移區和黏著區邊界，應力集中嚴重，疲勞裂紋最容易在此處萌生。在循環應力和表面摩擦力的共同作用下導致表面開裂形成表面微裂紋，微動磨損和疲勞逐漸成為微動損傷的主要機制。

圖6　微動斑裂紋Fig.6　Crack in fretting spot

圖7是在等效應力幅值為400MPa時，微動磨損過程中形成的磨屑。由圖7可見，在微動區域內有片狀磨屑存在，片狀磨屑的形成與摩擦力(表面切應力)密切相關。表面切應力使材料表面發生塑性變形，導致表面塑性枯竭，脆性增加，同時由于材料塑性變形而產生位錯，在距表面一定距離位錯累積，當這些位錯與某些障礙(如夾雜、相界等)相遇時就會形成空穴。在連續的剪切作用下，形成的空穴就會成為裂紋萌生的核心，裂紋一旦萌生并與附近的裂紋相連，就會形成平行于表面的裂紋。隨著微動損傷程度的加深，這些裂紋會在表面某一深度不斷擴大，當裂紋達到某臨界長度(深度)時，將沿著某些薄弱點向表面剪切，使材料脫離基體，形成片狀磨屑。脫離基體的片狀磨屑在隨后的微動作用中被反復碾壓破碎并氧化，不久這些片狀脫層被輾壓氧化成粒狀氧化磨屑。

磨屑對微動磨損狀態具有重要影響。在微動摩擦磨損初期，微動副形成的磨屑較少，磨屑可以看作是磨砂，刮傷試樣表面，加劇摩擦磨損，阻礙微動的相對位移，使摩擦因數增加。而在微動摩擦磨損的中后期，摩擦副中形成的磨屑已足夠多，這時在法向正壓力的作用下就會形成一層磨屑床，分隔微動副，起到緩沖墊的作用。同時磨屑通過自身的形變而消除部分微動摩擦損傷，相應地降低磨損和減輕表面疲勞，使微動摩擦因數降低。Pape等[1]在研究中發現微動摩擦因數從較高的初期逐步降低到較低的穩定階段，正是磨屑起到隔離摩擦副作用的結果。摩擦副界面有磨屑發生作用，是微動磨損和普通滑動磨損的主要區別之一。

圖8為不同應力下的微動滑移區顯微形貌。可以看出，圖8(a)中滑移區表面有大量微裂紋生成，而圖8(b)中磨粒較多，表面崎嶇不平，表明在循環應力和表面摩擦力的共同作用下導致微動斑塑性變形層表面塑性枯竭，微裂紋正在形成。由于等效應力幅值的增大，使得其壽命縮短，微動摩擦損傷還沒有達到最大時就已斷裂失效，所以由圖8(a)可見損傷嚴重，而圖8(b)中損傷較輕。

圖9所示為微動斑的表面塑性衰竭形貌。由于機械作用使近表層材料發生冷作硬化，產生嚴重塑性變形，導致表面塑性枯竭，脆性增加，在循環應力和表面摩擦力的共同作用下，表面材料開裂，形成垂直于微動方向的表面微裂紋；隨著這個過程的不斷進行，微裂紋不斷產生，形成大面積的微動裂紋區，產生多個疲勞裂紋源。

圖7　微動區磨損中形成的磨屑　(a)滑移區；(b)黏著區Fig.7　Fragments in fretting wearing region　(a)slip region;(b)adhesive region

圖8　不同應力下的微動滑移區SEM顯微形貌　(a)P=400MPa;(b)P=600MPaFig.8　The SEM morphology of slip region under different equivalent stress amplitudes(a)P=400MPa;(b)P=600MPa

圖9　微動斑的表面塑性衰竭形貌Fig.9　Plastic failure morphology in fretting spot

圖10所示為微動疲勞裂紋源區的微裂紋，可以看出，菱形加載路徑下的微裂紋是曲折的，這與試樣的受力狀態有關。在多軸疲勞載荷作用下，試樣受到軸向循環拉伸應力和扭轉循環剪切應力的復合作用，使得微裂紋的擴展方向并不垂直于疲勞試樣的軸向，而是沿與軸線成一定角度的方向上擴展。裂紋擴展方向的角度大小與軸向循環拉伸應力和切向循環剪切應力比值有關。

圖10　裂紋源區的微裂紋Fig.10　Microcrack in crack initiation region

圖11所示為微動磨損過程中形成的微裂紋。尺寸較小的疲勞微裂紋，萌生后可能在微動磨損的過程中被擦除而消失，如圖11(a)所示；同時也可能在疲勞載荷的作用下繼續擴展，如圖11(b)所示。由此可知微動磨損對疲勞微裂紋的影響作用包括兩方面：一方面，微動磨損破壞材料表層的完整性，產生局部應力集

圖11　微裂紋發展　(a)裂紋消失；(b)裂紋擴展Fig.11　The development of cracks　(a)crack disappearance;(b)crack propagation

中，使表層材料塑性衰竭，加速微裂紋的萌生；另一方面，早期微裂紋也可能被微動磨損擦除而消失，推遲微裂紋的擴展。在微動磨損過程中這兩方面的作用同時存在，對于尺寸較大的微裂紋，由于不容易被磨損擦除，在循環應力作用下存在的幾率較大，繼續擴展的幾率也就較大。

3　結論

(1)35CrMoA鋼在菱形路徑加載下，循環初期都會發生循環軟化，且等效應力幅值越大，軟化越嚴重；循環后期，等效應力幅值較小的試樣達到飽和狀態，等效應力幅值較大的試樣產生循環硬化現象。

(2)35CrMoA鋼在菱形路徑加載下，隨著等效應力幅值的增大，剪應力-剪應變滯后回線的面積增大；隨著循環周次的增加，剪應力-剪應變滯后回線面積逐漸減小，最后趨于穩定。

(3)當等效應力幅值較小時，疲勞裂紋擴展特征清晰可見，斷口區域平滑。隨著等效應力幅值的增大，裂紋萌生源區的面積減小，瞬斷區面積與總斷面面積的比例增加，瞬斷區的撕裂也越嚴重。

(4)機械作用使近表層材料發生冷作硬化，導致表面塑性枯竭，在循環應力和表面摩擦力的共同作用下，表面材料開裂，產生疲勞裂紋源；裂紋擴展方向的角度大小與軸向循環拉伸應力和切向循環剪切應力比值有關。

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Fretting Fatigue Behavior of 35CrMoA Steel Under Diamond Loading Condition

LYU Shi-quan1,HE Guo-qiu1,SHEN Yue1,TIAN Dan-dan1,LIU Xiao-shan1,LIN Guo-bin2,REN Jing-dong2,HU Jie2

(1 Shanghai Key Laboratory for R&D and Application of Metallic Functional Materials,School of Materials Science and Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China；2 Magnetic Suspension Traffic Engineering Technology Research Center,Tongji University,Shanghai 201804,China)

The stress controlled fretting fatigue behavior of 35CrMoA steel under the diamond loading condition was investigated at the contact stress of 150MPa by MTS809 axial/torsional test system and SEM. The results indicate that, with the increase of equivalent stress amplitude, the extent of softening and hardening becomes pronounced; the area of shear stress-strain hysteresis loop increases; the area of crack initiation decreases, the proportion of final fracture in fracture surface region increases, the degree of tearing becomes more serious. The plasticity is exhausted and easy to form crack initiation as a result of fretting wear.

35CrMoA；diamond loading；fretting fatigue；equivalent stress amplitude；fracture morphology；crack initiation

廣東石油化工學院人才引進項目(650119)；廣東省茂名市科技計劃項目(915325)；浙江省臺州市科技計劃項目(14GY02);浙江省科技廳公益性技術應用研究計劃資助項目(2014C37085)；國家自然科學基金資助項目(51404157)

2014-12-19；

2015-03-31

王古平(1976-)，男，高級實驗師，碩士，從事高溫結構材料微觀組織結構的研究，聯系地址：浙江省臺州市椒江區市府大道1139號臺州學院物理與電子工程學院(318000)，E-mail:gpwang526@126.com

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.01.015

TG142.1

A

1001-4381(2016)01-0096-07