盛偉,劉天琦,馬少俊,陳天運
(中國航發北京航空材料研究院,北京１０００９５)
摘 要:對３００M 鋼在空氣和質量分數３．５％NaCl水溶液中分別進行了疲勞裂紋擴展速率試驗,得到了其疲勞裂紋擴展速率Ｇ應力強度因子范圍曲線,并分別利用Paris公式和Walker公式對曲線進行了擬合;分析了應力比、腐蝕環境、頻率對疲勞裂紋擴展速率的影響.結果表明:３００M 鋼的疲勞裂紋擴展速率隨應力比的增加而增大;在相同應力比下,３００M 鋼在NaCl水溶液中的疲勞裂紋擴展速率在裂紋擴展前期比在空氣中的快,在擴展后期則趨于一致;較低試驗頻率下３００M 鋼在裂紋擴展前期的疲勞裂紋擴展速率比在較高頻率下的快.
關鍵詞:３００M 鋼;疲勞裂紋擴展;應力比;腐蝕疲勞
中圖分類號:TG１１５．５ 文獻標志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０６Ｇ００１７Ｇ０３
FatigueCrackGrowthBehaviorof３００MSteelunderDifferentConditions
SHENG Wei,LIUTianqi,MAShaojun,CHENTianyun
(AECCBeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing１０００９５,China)
Abstract:Thefatiguecrackgrowthratetestwasconductedon３００Msteelinairatmosphereand３．５wt％
NaClＧwatersolution,andthefatiguecrackgrowthrateＧstressintensityfactorrangecurveswereobtainedandfitted
usingParisandWalkerformulas,respectively．Theeffectsofstressratio,corrosionenvironmentandfrequencyon
thefatiguecrackgrowthratewereanalyzed．Theresultsshowthatthefatiguecrackgrowthrateof３００M steel
increasedwiththeincreasingstressratio;atthesamestressratio,thecrackgrowthrateof３００MsteelinNaClＧ
watersolutionwashigherthanthatinairatmosphereduringtheearlystageofcrackgrowth,andtendedtobethe
sameinthelaterpropagationstage;intheearlystageofcrackgrowth,thecrackgrowthrateof３００Msteelunder
relativelylowfrequencywashigherthanthatunderrelativelyhighfrequency．
Keywords:３００Msteel;fatiguecrackgrowth;stressratio;corrosionfatigue
０ 引 言
３００M 鋼是２０世紀６０年代由美國研發的一種低合金超高強度鋼,因具有良好的強度、塑性和抗疲勞性能而成為當今飛機起落架的首選材料[１].隨著飛機結構損傷容限設計理念的發展,斷裂韌性、疲勞裂紋擴展性能等也成為了評價飛機用材料性能的重要指標.文獻[２Ｇ６]研究了３０CrMnSiNi２A、GCＧ４、AerMet１００等超高強度鋼的疲勞裂紋擴展行為,討論了應力比、加載頻率、試驗環境、材料組織等因素對這些超高強度鋼疲勞裂紋擴展性能的影響;李瑞鴻等[７]研究了噴丸強化對３００M 鋼疲勞性能的影響;張國棟等[８]對３００M 鋼焊接接頭的疲勞斷裂機制進行了研究.但有關３００M 鋼疲勞裂紋擴展行為的研究尚未見報道.
３００M 鋼的疲勞裂紋擴展速率反映了該鋼在標準條件下的抗疲勞裂紋擴展能力,是確定零件服役壽命的重要指標. 因此,作者在不同條件下對３００M 鋼進行了疲勞裂紋擴展速率試驗,分析了應力比、試驗環境、頻率等因素對中速(裂紋擴展速率da/dN 在１０－５~１０－３ mm??周次－１)擴展區疲勞裂
紋擴展速率的影響,并用Paris方程和Walker方程對中速擴展區曲線進行了擬合,為該鋼的應用與評價提供數據參考.
１ 試樣制備與試驗方法
試驗用材料為３００M 鋼棒,由撫順特鋼生產,規格為?４００mm,退火態.從３００M 鋼棒上切取材料,制成拉伸試樣、斷裂韌度試樣以及緊湊拉伸疲勞裂紋擴展試樣.拉伸試樣的尺寸為?１０mm×１１０mm,標距為５０mm;斷裂韌度試樣的尺寸為１５ mm×３０mm×１４０mm;緊湊拉伸疲勞裂紋擴展試樣的尺寸見圖１,厚度為２０mm,取樣方向為縱向.
對試樣進行８７０℃×１h淬火＋３００℃×２h兩次回火熱處理后,按GB/T２２８．１－２０１０ 和GB/T４１６１－２００７分別進行拉伸和斷裂韌度性能測試,測得其屈服強度Rp０．２和抗拉強度Rm 分別為１６８３,２００５MPa,斷后伸長率A 為１０．５％,斷面收縮率Z 為４０．１％,斷裂韌度KIC為７７MPa??m１/２.根據GB/T６３９８－２０００,在MTS８１０型疲勞試驗機上進行疲勞裂紋擴展速率試驗,最大載荷１６kN,加載波形為正弦波,試驗環境為空氣環境和質量分數為３．５％NaCl水溶液.在空氣環境中試驗時,應力比R 分別為０．１,０．３,試驗頻率f 為１０Hz;在NaCl水溶
液中試驗時,R 分別為０．１,０．３,f 分別為５,１０Hz.試驗完成后,利用Camscan３１００型掃描電鏡(SEM)觀
察斷口形貌.
２ 試驗結果與討論
２．１ 疲勞裂紋擴展行為
２．１．１ 不同環境和應力比下的da/dNＧΔK 曲線
材料的疲勞裂紋擴展速率曲線可分成３個階段,即近門檻區、中速擴展區和快速擴展區.其中,中速擴展區受材料內在因素(顯微組織、力學性能等)的影響較小,而受應力比、加載頻率、環境等的影響較顯著[９].
由圖２可知:在對數坐標系中,３００M 鋼的疲勞裂紋擴展速率da/dN 隨應力強度因子范圍ΔK 的增加而單調遞增;在相同的應力強度因子范圍,應力比為０．３下試樣的疲勞裂紋擴展速率高于應力比為０．１下試樣的;在裂紋擴展前期,試樣在NaCl水溶液中的疲勞裂紋擴展速率明顯高于在空氣中的;當ΔK ≥２０MPa??m１/２時,兩種環境下的疲勞裂紋擴展速率相當.
圖２ 在不同條件下３００M 鋼試樣的da/dN 隨ΔK 的變化曲線
Fig.２ Variationcurvesofda dN withΔK of３００Msteelsamples
underdifferentconditions a airand b NaClＧwatersolution
Paris模型是應用廣闊的描述材料疲勞裂紋擴展規律的模型之一.將Paris公式取對數,得到其對數表達式為g(da/dN )＝lgC ＋mlg(ΔK ) (１)式中:C,m 為材料常數.用式(１)對圖２數據進行線性擬合,得到不同條件下的擬合參數,如表１所示.表中,r２ 為表示線性程度的相關系數.由表１可以看出:兩種環境下的r２ 均高于０．９５,可見３００M 鋼的疲勞裂紋擴展速
率與Paris公式符合良好;空氣環境中的r２ 比NaCl水溶液中的高,說明NaCl水溶液中的疲勞裂紋擴展速率分散性相對較大.
裂紋閉合效應常被用來解釋應力比對裂紋擴展速率的影響.ELBER[１１]認為,在疲勞裂紋尖端的后部存在一個塑性變形區,使裂紋張開位移減小,實際控制裂紋擴展的是應力強度因子的有效值ΔKeff.應力比越大,裂紋閉合效應越小,因此試樣具有更高的疲勞裂紋擴展速率.
研究[１２]表明:在腐蝕環境中,金屬和環境會發生化學反應生成有害物質,這些物質被吸附并擴散進入裂紋尖端前沿區,加速疲勞裂紋擴展;當試驗進行一段時間后,裂紋張開位移增大,疲勞裂紋擴展速率主要受力學因素控制,腐蝕環境對疲勞裂紋擴展的影響減弱.
２．１．２ 腐蝕環境中不同頻率下的da/dNＧΔK 曲線由圖３可見:在較低試驗頻率(f＝５Hz)下,試樣在裂紋擴展前期的疲勞裂紋擴展速率比在較高試驗頻率(f＝１０Hz)下的快;當疲勞裂紋擴展速率達到１０－４ mm??周次－１之后,兩種頻率下的疲勞裂紋擴展速率趨于一致.頻率對疲勞裂紋擴展速率的影響十分復雜.一般而言:在惰性氣體環境中,頻率對疲勞裂紋擴展速率的影響不大;在腐蝕環境中,降低頻率可以提高疲勞裂紋擴展速率.加載頻率越低,裂紋尖端的材料就有充分的時間與腐蝕環境發生電化學反應,加速裂紋尖端處材料的陽極溶解,從而加快腐蝕速率.
試驗頻率和腐蝕環境的共同作用導致了試樣在裂紋擴展前期裂紋擴展速率的差異.
２．２ 斷口形貌
試樣疲勞斷口主要由疲勞裂紋擴展區和瞬斷區兩部分組成.由圖４可以看出:疲勞裂紋擴展區光滑,存在疲勞條帶,這是疲勞裂紋穩定擴展的典型組織特征;瞬斷區以韌窩為主,說明３００M 鋼具有較好的塑性.
３ 結 論
(１)３００M 鋼的疲勞裂紋擴展速率隨應力強度因子范圍的增加而單調遞增;在相同應力強度因子范圍下,應力比為０．３下試樣的疲勞裂紋擴展速率高于應力比為０．１下的;在NaCl水溶液中３００M 鋼和E(３TO＋２LO)＋B１峰強度均會隨著距裂紋尖端距離的增加而減弱.
(文章來源：材料與測試網-機械工程材料)