基于不同粗糙度Ra與Rz的FV520B-I超高周疲勞失效研究

張元良，李瑞品，王金龍，丁明超

（大連理工大學機械工程學院，遼寧 大連 116023）

1 引言

高強度鋼FV520B-I作為一種重要的工程材料，具有高強度、高硬度、高耐磨性等優點，被廣泛的應用于制造大型機械設備的核心零部件，例如大型離心壓縮機葉片等。這些零部件造價昂貴，一旦發生疲勞失效將造成嚴重的經濟損失，甚至導致人員傷亡[1-2]。所以離心壓縮機葉片的疲勞壽命通常都需要在107周期以上，也就是達到超高周疲勞的水平。明確FV520B-I的超高周疲勞失效機理能夠有效的避免疲勞失效的發生，對于設備的維護和保障人員安全有著重要的意義[3-5]。

粗糙度是反映零部件及試件表面質量、微觀幾何形狀誤差的一個重要標準，不同的表面粗糙度對零部件的疲勞性能有著不同的影響[6]。目前用于定量表面表面質量的粗糙度主要分為兩種：表面輪廓算術平均偏差Ra及表面輪廓最大高度Rz。在實際的工程案例中，惡劣的工作環境會降低FV520B-I零部件的表面質量，增大表面粗糙度。由斷裂力學可知，表面粗糙度值越大，表面的溝痕越深，紋底半徑越小，應力集中也就越嚴重，疲勞強度也越低。因此導致試件的抵抗疲勞破壞的能力越差。從微觀方面進行解釋，即表面出現了較大的高低不平度，相當于在材料表面形成擠入和擠出，加速了裂紋的萌生，降低了疲勞壽命；從宏觀方面講，大的表面粗糙度促使表面應力集中的形成，而表面應力集中往往就是疲勞源，從而使疲勞極限有明顯的降低，進而影響FV520B-I的疲勞壽命，減弱FV520B-I抵抗疲勞失效的能力[7-10]。但是在目前的高強度鋼超高周疲勞研究中，主要以內部夾雜物為影響因素，沒有明確不同表面粗糙度對FV520B-I超高周疲勞失效的影響，并未對表面粗糙度與超高周疲勞失效之間的關系進行深入的研究。

因此，以不同粗糙度的FV520B-I超高周疲勞試驗結果為基礎，分析不同形式的表面粗糙度對FV20B-I超高周疲勞失效機理的影響，對維護機械設備的正常運轉，提高FV520B-I疲勞壽命預測的準確性提供理論依據。同時，明確表面粗糙度對FV20B-I超高周疲勞失效的影響對豐富FV520B-I超高周疲勞失效研究也有重要的意義。

2 基于不同粗糙度的FV520B-I超高周疲勞試驗

2.1 兩種表面粗糙度

目前主要通過兩種表面粗糙度對零部件的表面質量進行定量表征：表面輪廓算術平均偏差Ra及表面輪廓最大高度Rz。粗糙度Ra表示的是采樣長度（lr）內表面輪廓偏移量的絕對算術平均值，具有測量簡單、結果偏差小等特點，并且可以同時反映出表面微觀幾何形貌及表面輪廓鋒形貌特征，被廣泛應用于實際工況下各類零部件表面質量的定量表征。而粗糙度Rz表示的是采樣長度（l r）內表面輪廓偏移量的最大值，即最深的加工溝壑。對于不同的零部件而言，能夠通過相同的加工工藝流程來實現一批零部件的Ra值相同，但是每個獨立的零部件的Rz值無法保證相同。并且在外加循環載荷的作用下，零部件表面Rz位置形成明顯的應力集中，導致該位置及周圍的材料抵抗疲勞失效的能力減弱。雖然這種影響不能夠直接改變超高周疲勞失效機理及形式，但仍然會對超高周內部疲勞失效的起源位置等因素產生一定的影響，進而影響疲勞壽命。因此，在進行宏觀方面的分析時以粗糙度Ra作為主要因素，得到的結果偏于保守，而在進行超高周疲勞失效機理及壽命相關的分析時以粗糙度Rz為主要因素，得到的結果比較具有針對性。

2.2 試驗試件與材料

試驗所用FV520B-I是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，試件材料的化學成分[11-12]，如表1所示。

表1 試件化學成分化學成分（wt%）Tab.1 The Chemical Composition of Specimen（wt%）

熱處理工藝為（1050±10）℃固溶化處理（1～1.5）h，空冷；（850±10）℃中間調整處理（3～3.5）h，油冷；（470±10）℃時效處理（4～5）h，空冷。熱處理后通過試驗得到FV520B-I的力學性能[11-12]，如表1～表2所示。

表2 FV520B-I力學性能Tab.2 Mechanical Property of FV520B-I

標準疲勞試件為“沙漏型”，根據FV520B-I的具體材料參數計算得到試件尺寸，如圖1所示[13]。

圖1 試件Fig.1 The Specimen

為了研究表面粗糙度對FV520B-I超高周疲勞失效的影響，需要使用不同粗糙度的試件進行試驗。在實際工況中，FV520BI零部件的表面粗糙度值小于0.8μm，一些經過拋光加工后的零部件表面粗糙度能夠達到0.2μm。結合實際工況中FV520B-I零部件的表面質量情況，將超聲疲勞試件的表面粗糙度分為四個層次：Ra1≤0.1μm，0.1μm

2.3 實驗方法

試驗中使用的是USF-2000超聲疲勞試驗機，加載頻率為20kHz±500Hz。試驗中應力比為-1，即對稱循環載荷，間歇比為1：2（工作250ms，停止500ms）。使用強冷空氣進行冷卻，避免發熱對實驗結果產生影響。使用掃描電鏡顯微鏡（SEM）對試件斷口進行觀察，對內部夾雜物尺寸、GBF去尺寸、魚眼區尺寸及失效源與試件表面距離之間的距離進行測量并記錄。使用能譜分析儀對疲勞失效源及其附近區域的化學成分進行能譜分析，確定引起疲勞失效的主要損傷形式。

3 表面粗糙度對FV520B-I超高周疲勞失效的影響

3.1 粗糙度Ra對FV520B-I超高周疲勞失效的影響

不同粗糙度試件得到的疲勞實驗數據分布，分布趨勢基本一致，如圖2所示。

圖2 實驗數據分布Fig.2 The Distribution of the Experimental Data

圖中有三個試件的疲勞失效發生于表面，對應的應力幅值為600MPa和575MPa，此時表面粗糙度分別為Ra1，Ra2及Ra3，相應的疲勞壽命小于107周次。剩余表面粗糙度為Ra1，Ra2及Ra3的試件疲勞失效均發生于內部，并且疲勞壽命基本都處于超高周疲勞范疇。當表面粗糙度為Ra4時，超高周疲勞現象明顯，所有的試件疲勞失效均發生于內部，沒有表面失效的情況，并且所有的失效均為超高周疲勞失效，疲勞壽命大于107周次。

使用掃描電鏡顯微鏡對試件斷口進行觀察，并通過能譜儀對試件斷口的化學成分進行分析。疲勞壽命小于107的試件斷口特征，疲勞失效起源于表面疲勞損傷，并且在斷口表面可以觀察到很多從表面向內部基體材料延伸而當輻射狀條紋，這符合表面疲勞失效的斷口特征，如圖3所示。

圖3 表面失效斷口形貌Fig.3 Fhe Fracture Surface of Surface Failur e

在超高周疲勞范疇內（疲勞壽命大于107周次），四組不同粗糙度試件的疲勞失效均發生于內部，這說明表面微觀缺陷的變化對疲勞失效形式沒有影響。但是通過對失效斷口進行能譜分析發現，表面粗糙度會對引起疲勞失效的具體損傷形式產生影響。

引起超高周疲勞失效的損傷形式包括兩種：內部夾雜物及基體材料。當疲勞失效是由內部夾雜物引起時，可以在斷口表面觀察到明顯的GBF區及“魚眼區”，如圖4所示。能譜分析顯示，在斷口區域存在S、Ti、Al及O等元素的富集，這也表明疲勞失效是由夾雜物引起。

圖4 夾雜物引起的斷口形貌及能譜分析結果Fig.4 The Fracture Surface of Internal Failure

當超高周疲勞失效起源于內部基體材料時，如圖5所示，斷口表面同樣能夠觀察到GBF區及“魚眼區”，但是邊界不明顯。能譜檢測結果顯示，斷口區域內主要為Fe元素，并沒有出現非Fe元素的富集現象。

圖5 基體材料引起的失效斷口及能譜分析Fig.5 The Internal Failure Caused by Matrix Material

將上述三種失效形式：表面疲勞失效、內部夾雜物引起的疲勞失效及內部基體材料引起的失效，根據不同的粗糙度Ra進行分類。隨著粗糙度Rz的變化，各類失效形式的數量發生了變化，如圖6所示。

圖6 失效類型與表面粗糙度Fig.6 The Distribution of the Fatigue Failure Type

由上圖可知，當表面粗糙度較小時（Ra1），內部基體材料與內部夾雜物對超高周疲勞失效的影響相同，分別由這兩類疲勞損傷因起的疲勞失效數量基本一致。隨著表面粗糙度增大至Ra3時，實驗現象表明內部基體材料對疲勞失效的影響逐漸減弱，內部夾雜物成為主導因素，內部夾雜物引起的失效數量增加，基體材料引起的失效數量降低。當表面粗糙度增大到Ra4時，實驗結果顯示各類失效類型所占比例趨于平穩，雖然出現了一例由基體材料引起的疲勞失效，但是內部夾雜物仍然是超高周疲勞失效的主要因素。在現有的超高周疲勞理論中，內部夾雜物為超高周疲勞失效的主要因素。但是根據實驗現象可知，當表面粗糙度較小時，內部基體材料曲線同樣對超高周疲勞失效有顯著的影響，并引起最終的失效。只有當表面粗糙度增大時，才會出現內部夾雜物引起疲勞失效的現象。雖然表面粗糙度從Ra1變為Ra2時增加了一倍，但是增幅只有0.1μm，這表明高強度鋼FV520B-I超高周疲勞失效對表面粗糙度存在一定的敏感性，比較小的增幅就能引起超高周疲勞失效因素由基體材料和內部夾雜物共同作用轉變為內部夾雜物單一因素作用。

3.2 表面粗糙度Rz對超高周疲勞失效位置的影響

表面粗糙度Rz表示的是在測量范圍內加工溝痕的最大峰值與最大谷值之和，表示的表面微觀缺陷的一個最大值，這與Ra所表示的平均值不同。根據當試件表面存在單一或者局部較大加工溝壑時，相應的表面粗糙度Rz值較大，此時該位置容易產生明顯的應力集中，并導致疲勞強度降低。因此在分析表面粗糙度對超高周疲勞失效影響時，Rz同樣是一個不可忽略的因素。疲勞失效起源位置距離試件表面的距離（Da-s）同樣是影響超高周疲勞失效的一個重要因素，如圖所示為表面粗糙度Rz與疲勞失效位置距離表面的距離之間的分布。

上圖所示表面粗糙度Rz與失效起源位置距表面距離Da-s之間的分布滿足以下總體特征：（1）應力幅值小于600MPa時，實驗現象表明粗糙度Rz與疲勞失效起源位置距表面距離Da-s之間呈正相關；（2）應力幅值增大至600MPa時，實驗現象表明二者之間呈負相關。

（1）當應力幅值小于600MPa時，隨著表面粗糙度Rz的增大，試件表面的應力集中越來越明顯，此時疲勞失效起源表面的可能性增大，形成了表面疲勞損傷與內部疲勞損傷之間的激烈競爭。另一方面，應力集中導致的表面應力狀態惡化也促進了表面硬化的發展。但是由于二者之間激烈的競爭以及較大的表面粗糙度Rz，導致表面必須通過更多的循環載荷才能形成表面硬化層。而表面硬化層對疲勞失效起源于表面起到了抑制作用。表面粗糙度Rz越大，形成表面硬化所需的疲勞載荷周次越多，表面硬化層對表面疲勞失效的抑制作用越明顯，因此疲勞失效越不容易從表面起源。而內部較深的疲勞損傷有更多時間來進行疲勞裂紋的擴展，從而引起疲勞失效，如圖8所示。同時，由于應力幅值的增大對疲勞失效起到了促進作用，因此隨著應力幅值的增大，逐漸淡化了表面粗糙度Rz對疲勞失效起源位置距表面距離的影響，如圖7中表面粗糙度Rz與Da-s的分布之間的定性關系曲線斜率逐漸降低。

圖7 表面粗糙度Rz與Da-s的分布Fig.7 The Distribution of Rz and Distance D a-s

圖8 粗糙度Rz對Da-s的影響Fig.8 Effect of Rz on D a-s

（2）當應力幅值增大至600MPa時，應力幅值對疲勞失效的影響增強，雖然最終失效仍起源于內部，但是疲勞壽命降低到107周次附近。此時內部疲勞損傷對疲勞失效的影響減弱，表面微觀缺陷（以表面粗糙度作為定量表征）對疲勞失效的影響逐漸增強。因此當表面粗糙度Rz增大時，應力集中更加明顯，疲勞失效傾向于向應力集中大的位置靠近。因此存在較大表面微觀缺陷的位置更容易引起表面疲勞失效，此時表面粗糙度Rz與疲勞失效起源位置距表面距離之間成負相關。

4 結論

基于FV520B-I不同粗糙度的超高周疲勞實驗結果與經典的斷裂力學，分析了超高周疲勞失效與粗糙度Ra及Rz之間的關系，得到了以下結論：（1）在超高周疲勞范疇中，表面微觀缺陷對引起疲勞失效的內部損傷形式有影響，但是內部疲勞損傷仍為引起疲勞失效的主要因素，以FV520B-I基于內部夾雜物的疲勞壽命預測模型進行疲勞壽命預測；（2）隨著表面粗糙度Ra增大，超高周疲勞失效主要因素從基體夾雜物與內部夾雜物的共同作用轉變為內部夾雜物單一因素作用；（3）應力幅值為500MPa至575MPa時，表面粗糙度Rz與疲勞失效起源位置距表面距離成正相關，應力幅值達到600MPa時，二者呈負相關。

明確表面粗糙度對超高周疲勞失效的影響有助于提高FV520B-I超高周疲勞壽命預測的結果，對豐富FV520B-I的超高周疲勞研究有比較重要的理論價值，對保障實際工況中機械設備的正常運行及人員安全、避免事故的發生有比較重要的實際意義。在研究FV520B-I超高周疲勞失效的過程中涉及到材料科學、力學、機械科學等多門學科，并且研究表面粗糙度對超高周疲勞失效的影響是一項基礎工作，因此還存在著一些需要解決的難題。首先，需要進一步開展大量不同粗糙度的FV520B-I超高周疲勞實驗，根據實驗結果及現有的公式將表面粗糙度對FV520B-I超高周疲勞失效的影響進行定量表征，明確二者之間的映射關系。

其次，在進行FV520B-I超高周的疲勞失效分析時，應將表面粗糙度的影響與內部夾雜物的影響進行耦合，并結合應力幅值、零部件尺寸等因素，建立一個考慮因素全面的疲勞失效模型。

這些都是疲勞壽命預測領域目前面臨的很重要并且亟待解決的問題，這也將是FV520B-I超高周疲勞疲勞研究領域今后應該繼續努力的方向與重點。