40Cr鋼超高周疲勞性能及疲勞斷口解析

崔曉玉 孫倩

摘要： 應用超聲疲勞試驗方法專研了105～1010周次范疇中40Cr鋼表現出的疲勞性能，設計其載荷頻率20kHz，配合電子顯微鏡剖析疲勞端口樣貌特點。統計結果發現，40Cr鋼的S-N曲線始終維持下跌趨勢，107、1010周次的疲勞強度形成了顯著差異;顯微分析發現，40Cr鋼超聲疲勞端口樣貌和傳統疲勞條件下的斷口樣貌沒有形成顯著差別，拓展區斷口存在著顯著的疲勞輝紋。

Abstract： The fatigue properties of 40Cr steel in 105-1010 cycles were studied using ultrasonic fatigue test method. The load frequency of 40Cr steel was designed to be 20kHz， and the characteristics of fatigue port were analyzed with electron microscope. The statistical results showed that the S-N curve of 40Cr steel always maintained a downward trend， and the fatigue strength of 107-1010 weeks formed a significant difference. Microscopic analysis shows that there is no significant difference between the ultrasonic fatigue port appearance of 40Cr steel and the fracture appearance of traditional fatigue condition， and there are significant fatigue striations at the fracture in the extended area.

關鍵詞： 鋼材;超聲疲勞試驗;疲勞斷口;試驗分析

Key words： steel;ultrasonic fatigue test;fatigue fracture;test analysis

中圖分類號：TG142.15????????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0035-02

0? 引言

材料在循環載荷反復作用下出現的破壞現象被叫做疲勞，疲勞已經成為當前很多汽車、飛機、鉆井設備零部件的主要失效形式。在長期的研究中，材料疲勞已逐漸成為一門重要學科，和材料科學、力學、應用數據等諸門學科存在關聯性。盡管在百余年的研究歷程中，在材料疲勞損傷、斷裂方面形成很多成果，但沒有徹底解決疲勞問題[1]。既往有研究指出，很多工程機械內零部件服役期內其真實疲勞作業壽命在108～1010周次的超高周疲勞范疇，為提升結構抗疲勞強度設計效果，使其運行安全性得到更大保障，研究材料的超高周疲勞性能及斷裂機理具有很大現實意義。

1? 超聲波試驗原理

盡管國內外各實驗室超聲疲勞試驗機械的結構存在差異，但均有一定類似性，其主要由試驗控制和數據采集、試驗加載及檢測系統三大部分構成。圖1是加載系統及應力和應變位移分布場。不難發現，振動系統處于換能器下方，有B、D兩個位移駐點，均和位移幅是0的截面相對應;存有A、C、E三個應力駐點，應力幅均是零，但是位移幅取峰值的截面。在對稱循環的工況下，E端是自由端。在具體試驗中，可以通過調整交變電信號電壓，能夠整頓試樣端部的位移幅值，試樣中間截面上的應力幅值也會有所變動。在建立好超聲疲勞系統后，最重要的工作內容是設計計算超聲疲勞試樣，使其有和系統振動頻率等同的固定頻率，同時也要設定好試樣對應的振動位移應力系數。解析法、數值有限元法均是當前設計計算疲勞試樣的常用方法，雖然前者操作過程較簡單，但如果面對形狀復雜的試樣，很難獲得解析值，而后者有效彌補了解析法的不足。

2? 試驗設計

2.1 試樣選擇

選擇40Cr鋼作為試驗用材料（圖2）[2]，化學成分構成：ω（C）、ω（Cr）、ω（Mn）、ω（Si）、分別為0.41%、0.95%、0.65%、0.27%，其他都是Fe。？準12的40Cr鋼經845℃奧氏體化、水淬工序，降至565℃回火調質處置。

本課題研究中采用的超聲振動頻率20kHz，試樣40Cr鋼的動態彈性模量、密度分別210GPA、7820kg/m3;試樣L1、R1、R2分別設計為1.5mm、5mm、14.1mm，諧振長度（L2）為16.4mm。為了方便機械化加工試樣中部喇叭形，利用圓弧代替既往設計的中部喇叭形的曲線方程，此時可以忽略引起的幾何、應力值偏差。利用下式計算出圓弧半徑（R0）：

MPa/um。

2.2 試驗條件

選用軸向拉壓對稱循環載荷作為本次試驗的載荷，載荷頻率20kHz應力比（R）為-1。在室溫條件下進行試驗;振動試件時，因為能吸收掉部分超聲振動能與材料內磨擦，出現較明顯的溫升現象，試驗操作中采用純水冷卻試樣。針對超聲疲勞試樣的機械加工要求的設定，其和傳統疲勞試樣一致，縱向研磨處理中部試驗段，使其表層光滑度（Ra）抵達0.32～0.64μm。用philip-XL30掃描電子顯微鏡分析疲勞斷口微觀樣貌。

3? 統計和分析試驗結果

3.1 疲勞—壽命（S-N）曲線

圖3為試樣疲勞載荷下105～1010周次范疇中的S-N曲線，讀圖發現其同時給出了試樣在傳統疲勞載荷條件（f=83.3kHz，R=-1）107周次之下的疲勞壽命測試情況，把試驗所得值擬合成Basquin方程[3]：σa=σ

式內，σ、b分別是疲勞強度系數、指數，后者也被叫做Basquin參數。觀察試樣超聲疲勞高頻與傳統疲勞低頻載荷條件下的Basquin參數擬合情況，統計傳統疲勞試驗值，當超出106循環周次，S-N曲線的改變表現出平緩性特征;但觀察超聲疲勞試驗情況，在105～1010周次循環范疇中，伴隨疲勞破壞循環數的增多，40Cr鋼的S-N曲線呈現出增加趨勢，循環應力幅持續走低，于106循環周次位置沒有形成水平平臺，曲線跌落趨勢也未見顯著波動。疲勞循環超過109周次以后，40Cr鋼S-N曲線下跌趨勢逐漸變得平緩。在105～1010周次區間中，對比兩種不同疲勞狀態下的S-N曲線，發現和疲勞性能相比，超聲疲勞壽命更長久，但兩者的S-N曲線降低趨勢較類似。107周次條件下，常規、超聲疲勞試驗值分別是420MPa、444MPa;而到進展至1010周次循環時，40Cr鋼試樣的疲勞強度極限234MPa左右，可見107周次條件下的疲勞強度顯著高于1010周次。

3.2 分析疲勞斷口

選擇σ=±500MPa，N=9.92×106試樣，觀察其在電子顯微鏡下的宏觀斷口樣貌，發現在試樣近表面的材料缺陷位置萌生了疲勞裂紋，其呈扇形朝向周邊擴展。利用高倍鏡放大觀察裂紋源區圖像，裂紋萌生缺陷周邊存有單個扇形解理區，其斷面相對較平整，和裂紋萌生缺陷配合組建了疲勞核心區[4]。觀察應力幅有差別、105～109周次范疇中斷裂的試樣斷口形貌，發現試樣表層或近表層材料缺陷為超聲疲勞裂紋萌生的集中區。可以把疲勞裂紋延展過程細化成兩個階段，穿晶斷裂均占主導。首個階段拓展區斷面微觀樣貌相對較粗糙，其是很多解理斷面和規格不等的凹坑組成的，該階段擴展區中未見疲勞輝紋樣貌。而第二階段擴展區中存有和裂紋拓展方向統一的放射式線條，顯微觀察發現，疲勞裂紋拓展過程生成的撕裂愣就是放射線，該階段端口微觀樣貌由疲勞輝紋、微坑共同構成，其中觀察微坑可以發現其內存留著第二相粒子，局部位置能觀察到二次裂紋，疲勞輝紋與二次及疲勞裂紋的拓展方向成角90°。利用高倍鏡觀察疲勞輝紋的樣貌，發現短小、連貫性差是其主要特征，循環應力幅下降，裂紋第二階段擴展區樣貌特征出現較明顯的改變，其斷面相對較粗糙，在不同平鍵上裂紋均有一定拓展，小斷裂平面與凹坑共同構成了擴展區斷口樣貌，但依然能觀測到斷斷續續分布著疲勞輝紋，疲勞輝紋數目顯著增加，不同輝紋間距擴增。

3.3 增加疲勞裂紋內部萌生壽命的方法

綜合本課題研究的結果及既往形成的其他研究報告，金屬材料疲勞斷裂內的裂紋萌生有兩種機制，及疲勞裂紋表面、內部萌生機制。可以嘗試采用如下幾種方法去增加疲勞裂紋內部萌生壽命[5]：一是調控第二相粒子的尺寸：微小的第二相粒子能使材料盡管在低應力幅條件下提升壽命;二是添加適宜的合金元素，部分合金元素對氣體間隙原子或空位等點缺陷表現出較強的結合能力，容易演變成點缺陷的“陷阱”，可以有效延緩裂紋源夾雜周邊點缺陷的聚集過程，抑制了裂紋長大速度，增加壽命;三是提升金屬材料應力強度因子范疇門檻值，其作用機制是擴增疲勞裂紋的臨界尺寸，增加裂紋萌生壽命，進而改善材料的疲勞性能。

4? 結束語

通過本課題研究分析，掌握了40Cr鋼的S-N曲線的走向及疲勞裂紋斷口微觀樣貌特征。超聲疲勞試驗自身有較高的載荷頻率，利用其研究分析金屬材料的疲勞性能最大的特點是經濟性高、能較快捷的獲得和疲勞性能相關數據，特別是適用于研究107周次以上的超高周疲勞壽命長短問題上，值得進一步推廣。

參考文獻：

[1]源晨，宋竹滿，李瑞，等.8.8級螺栓用ML40Cr鋼的疲勞性能和裂紋擴展行為[J].材料研究學報，2019，78（10）：771-775.

[2]趙紹諺，劉萍，王海峰，等.預制混凝土塔筒鋼筋螺紋套筒疲勞性能研究[J].船舶工程，2019，41（S1）：457-460.

[3]吝歡，楊卯生，舒佰坡，等.高氮不銹軸承鋼高溫旋彎疲勞性能及損傷機制[J].鋼鐵研究學報，2019，031（005）：475-484.

[4]劉雪鍵，彭文山，劉少通，等.含砂海水對40Cr鋼加速沖刷腐蝕性能影響[J].裝備環境工程，2019，16（03）：17-24.

[5]梁爽，朱鵬，王武榮，等.摩擦次表層結構演變對40Cr鋼油潤滑摩擦學行為的影響[J].材料保護，2020，53（02）：54-58.