缺陷深度對30CrMnSiA鋼激光再制造件旋轉彎曲疲勞性能的影響

朱兆祺,劉 倩,邱偉科,汪宏斌,吳益文,

(1.上海大學 材料科學與工程學院,上海 200072； 2.上海海關工業品與原材料檢測 技術中心,上海 200135)

高強度鋼以其優良的力學性能，而廣泛應用在基礎設施建設、軍事裝備制造、汽車制造、飛機制造和核電工程等諸多領域[1-2]。30CrMnSiA高強度鋼在調質后具有較高的強度和韌性，此外還具有良好的加工性能和抗疲勞性能[3]，因此被廣泛用于制造軸類和活塞類零配件以及汽車和飛機等各種特殊的耐磨零配件。金屬材料機械零部件在日常使用中多數承受的載荷都是隨時間變化而變化的。材料在交變載荷作用下容易形成微裂紋，載荷持續作用會促使裂紋擴展，最終導致零部件斷裂，這種形式引起的破損或斷裂叫做疲勞破壞或疲勞斷裂。疲勞斷裂是影響金屬材料使用安全的一個重要因素[4]。30CrMnSiA鋼的斷裂失效中有80%是疲勞斷裂，一般對于發生疲勞斷裂的30CrMnSiA鋼零部件都直接進行更換，造成了極大的浪費[5]，如能對其進行再制造修復，則在降低成本、節約資源等方面都具有重要意義。

為了解不同深度缺陷修復后對30CrMnSiA鋼扭轉彎曲疲勞性能的影響，筆者對預置缺陷深度分別為0.15 mm和0.55 mm的試樣進行了激光堆焊修復，并對修復件進行疲勞性能測試和顯微組織形貌分析，以期為此類零部件再制造修復的基礎研究提供一些幫助。

1 試樣制備

試驗采用30CrMnSiA高強度鋼，其熱處理工藝是在880 ℃油淬后520 ℃高溫回火，回火后水冷，得到的顯微組織為回火索氏體，具有較高的強度和沖擊韌度，以及較好的焊接性和冷沖壓變形性[6]。30CrMnSiA鋼的化學成分如表1所示[7]。堆焊材料選用GH3030焊絲，其化學成分如表2所示。

表1 30CrMnSiA鋼的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of 30CrMnSiA steel (mass fraction) %

表2 GH3030焊絲的化學成分(質量分數)Tab.2 Chemical compositions of GH3030 welding wire (mass fraction) %

取3個尺寸為φ7.5 mm×170 mm的旋轉彎曲無缺陷疲勞試樣，如圖1所示。其中一個試樣在中心兩邊開深度為0.15 mm，寬度為3 mm的U型環槽，如圖2所示；另一個在中心兩邊開深度為0.55 mm，寬度為3 mm的U型環槽，其余尺寸與圖2所示試樣的相同。

采用手工激光焊接機對兩個帶有缺陷的試樣分別進行激光修復，激光堆焊設備如圖3所示。

2 疲勞試驗

按照GB/T 4337—2015《金屬材料 疲勞試驗 旋轉彎曲方法》的技術要求，轉速為3 000 r·min-1，在不同的應力水平和加載力下，對無缺陷疲勞試樣和帶有兩種不同深度缺陷的再制造疲勞試樣分別進行疲勞試驗，結果如表3～5所示。可見無缺陷試樣和缺陷深度為0.15 mm的試樣在應力水平S=440 MPa時的平均循環次數均超過106次,而缺陷深度為0.55 mm試樣的平均循環次數明顯降低，只有171 120次;在應力水平S=550 MPa時,無缺陷試樣的平均循環次數為324 225次,缺陷深度為0.15 mm試樣的平均循環次數為106 575,而缺陷深度為0.55 mm試樣的平均循環次數只有34 312次。可知隨著應力水平的增加，試樣缺陷深度越大，其平均循環次數較無缺陷疲勞試樣的下降幅度越大。

圖1 無缺陷疲勞試樣形狀與尺寸示意圖Fig.1 Diagram of the shape and size of flawless fatigue sample

圖2 缺陷深度為0.15 mm的疲勞試樣示意圖Fig.2 Diagram of fatigue sample with a defect depth of 0.15 mm

圖3 激光堆焊設備Fig.3 Laser welding equipment

表3 無缺陷試樣疲勞試驗結果Tab.3 Fatigue test results of flawless sample

表4 缺陷深度為0.15 mm試樣的疲勞試驗結果Tab.4 Fatigue test results of the sample with adefect depth of 0.15 mm

表5 缺陷深度為0.55 mm試樣的疲勞試驗結果Tab.5 Fatigue test results of the sample with adefect depth of 0.55 mm

3 斷口分析

對550 MPa應力水平下的無缺陷試樣和帶有兩種不同深度缺陷的再制造試樣的斷口進行掃描電鏡(SEM)分析。如圖4～6所示,再制造試樣的二次裂紋較多，而且隨著缺陷深度增大，二次裂紋更長；再制造試樣的韌窩數量少，隨著缺陷加深，韌窩數量減少且越來越細小。

圖4 550 MPa應力水平下試樣裂紋源區SEM形貌Fig.4 SEM morphology of crack source area of samples at 550 MPa stress level:a) flawless sample; b) sample with a defect depth of 0.15 mm; c) sample with a defect depth of 0.55 mm

圖5 550 MPa應力水平下試樣的裂紋擴展區SEM形貌Fig.5 SEM morphology of crack propagation area of samples at 550 MPa stress level:a) flawless sample; b) sample with a defect depth of 0.15 mm; c) sample with a defect depth of 0.55 mm

圖6 550 MPa應力水平下試樣最終斷裂區SEM形貌Fig.6 SEM morphology of final fracture area of samples at 550 MPa stress level:a) flawless sample; b) sample with a defect depth of 0.15 mm; c) sample with a defect depth of 0.55 mm

4 結論

(1) 在低應力條件下，預置缺陷深度為0.15 mm的激光再制造試樣，其旋轉彎曲疲勞性能接近無缺陷試樣的。

(2) 預置缺陷深度為0.55 mm的激光再制造試樣，其旋轉彎曲疲勞性能較無缺陷試樣的顯著降低，對有該深度缺陷的試樣，將不能進行再制造修復。

(3) 再制造試樣隨著應力水平的增加，疲勞裂紋也越來越多，更易發生斷裂。