盛偉,劉天琦,馬少俊,陳天運(yùn)

(中國航發(fā)北京航空材料研究院,北京１０００９５)

摘　要:對３００M 鋼在空氣和質(zhì)量分?jǐn)?shù)３．５％NaCl水溶液中分別進(jìn)行了疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn),得到了其疲勞裂紋擴(kuò)展速率Ｇ應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍曲線,并分別利用Paris公式和Walker公式對曲線進(jìn)行了擬合;分析了應(yīng)力比、腐蝕環(huán)境、頻率對疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響.結(jié)果表明:３００M 鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨應(yīng)力比的增加而增大;在相同應(yīng)力比下,３００M 鋼在NaCl水溶液中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率在裂紋擴(kuò)展前期比在空氣中的快,在擴(kuò)展后期則趨于一致;較低試驗(yàn)頻率下３００M 鋼在裂紋擴(kuò)展前期的疲勞裂紋擴(kuò)展速率比在較高頻率下的快.

關(guān)鍵詞:３００M 鋼;疲勞裂紋擴(kuò)展;應(yīng)力比;腐蝕疲勞

中圖分類號:TG１１５．５ 文獻(xiàn)標(biāo)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(jì)６０年代由美國研發(fā)的一種低合金超高強(qiáng)度鋼,因具有良好的強(qiáng)度、塑性和抗疲勞性能而成為當(dāng)今飛機(jī)起落架的首選材料[１].隨著飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)理念的發(fā)展,斷裂韌性、疲勞裂紋擴(kuò)展性能等也成為了評價(jià)飛機(jī)用材料性能的重要指標(biāo).文獻(xiàn)[２Ｇ６]研究了３０CrMnSiNi２A、GCＧ４、AerMet１００等超高強(qiáng)度鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展行為,討論了應(yīng)力比、加載頻率、試驗(yàn)環(huán)境、材料組織等因素對這些超高強(qiáng)度鋼疲勞裂紋擴(kuò)展性能的影響;李瑞鴻等[７]研究了噴丸強(qiáng)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(jī)制進(jìn)行了研究.但有關(guān)３００M 鋼疲勞裂紋擴(kuò)展行為的研究尚未見報(bào)道.

３００M 鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率反映了該鋼在標(biāo)準(zhǔn)條件下的抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力,是確定零件服役壽命的重要指標(biāo). 因此,作者在不同條件下對３００M 鋼進(jìn)行了疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn),分析了應(yīng)力比、試驗(yàn)環(huán)境、頻率等因素對中速(裂紋擴(kuò)展速率da/dN 在１０－５~１０－３ mm??周次－１)擴(kuò)展區(qū)疲勞裂

紋擴(kuò)展速率的影響,并用Paris方程和Walker方程對中速擴(kuò)展區(qū)曲線進(jìn)行了擬合,為該鋼的應(yīng)用與評價(jià)提供數(shù)據(jù)參考.

１　試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用材料為３００M 鋼棒,由撫順特鋼生產(chǎn),規(guī)格為?４００mm,退火態(tài).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(kuò)展試樣.拉伸試樣的尺寸為?１０mm×１１０mm,標(biāo)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(kuò)展試樣的尺寸見圖１,厚度為２０mm,取樣方向?yàn)榭v向.

對試樣進(jìn)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(jìn)行拉伸和斷裂韌度性能測試,測得其屈服強(qiáng)度Rp０．２和抗拉強(qiáng)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(jù)GB/T６３９８－２０００,在MTS８１０型疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn),最大載荷１６kN,加載波形為正弦波,試驗(yàn)環(huán)境為空氣環(huán)境和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為３．５％NaCl水溶液.在空氣環(huán)境中試驗(yàn)時(shí),應(yīng)力比R 分別為０．１,０．３,試驗(yàn)頻率f 為１０Hz;在NaCl水溶

液中試驗(yàn)時(shí),R 分別為０．１,０．３,f 分別為５,１０Hz.試驗(yàn)完成后,利用Camscan３１００型掃描電鏡(SEM)觀

察斷口形貌.

２　試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１　疲勞裂紋擴(kuò)展行為

２．１．１　不同環(huán)境和應(yīng)力比下的da/dNＧΔK 曲線

材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線可分成３個(gè)階段,即近門檻區(qū)、中速擴(kuò)展區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū).其中,中速擴(kuò)展區(qū)受材料內(nèi)在因素(顯微組織、力學(xué)性能等)的影響較小,而受應(yīng)力比、加載頻率、環(huán)境等的影響較顯著[９].

由圖２可知:在對數(shù)坐標(biāo)系中,３００M 鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN 隨應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK 的增加而單調(diào)遞增;在相同的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍,應(yīng)力比為０．３下試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展速率高于應(yīng)力比為０．１下試樣的;在裂紋擴(kuò)展前期,試樣在NaCl水溶液中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯高于在空氣中的;當(dāng)ΔK ≥２０MPa??m１/２時(shí),兩種環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率相當(dāng).

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(yīng)用廣闊的描述材料疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律的模型之一.將Paris公式取對數(shù),得到其對數(shù)表達(dá)式為g(da/dN )＝lgC ＋mlg(ΔK ) (１)式中:C,m 為材料常數(shù).用式(１)對圖２數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,得到不同條件下的擬合參數(shù),如表１所示.表中,r２ 為表示線性程度的相關(guān)系數(shù).由表１可以看出:兩種環(huán)境下的r２ 均高于０．９５,可見３００M 鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速

率與Paris公式符合良好;空氣環(huán)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(kuò)展速率分散性相對較大.

裂紋閉合效應(yīng)常被用來解釋應(yīng)力比對裂紋擴(kuò)展速率的影響.ELBER[１１]認(rèn)為,在疲勞裂紋尖端的后部存在一個(gè)塑性變形區(qū),使裂紋張開位移減小,實(shí)際控制裂紋擴(kuò)展的是應(yīng)力強(qiáng)度因子的有效值ΔKeff.應(yīng)力比越大,裂紋閉合效應(yīng)越小,因此試樣具有更高的疲勞裂紋擴(kuò)展速率.

研究[１２]表明:在腐蝕環(huán)境中,金屬和環(huán)境會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成有害物質(zhì),這些物質(zhì)被吸附并擴(kuò)散進(jìn)入裂紋尖端前沿區(qū),加速疲勞裂紋擴(kuò)展;當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行一段時(shí)間后,裂紋張開位移增大,疲勞裂紋擴(kuò)展速率主要受力學(xué)因素控制,腐蝕環(huán)境對疲勞裂紋擴(kuò)展的影響減弱.

２．１．２ 腐蝕環(huán)境中不同頻率下的da/dNＧΔK 曲線由圖３可見:在較低試驗(yàn)頻率(f＝５Hz)下,試樣在裂紋擴(kuò)展前期的疲勞裂紋擴(kuò)展速率比在較高試驗(yàn)頻率(f＝１０Hz)下的快;當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展速率達(dá)到１０－４ mm??周次－１之后,兩種頻率下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率趨于一致.頻率對疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響十分復(fù)雜.一般而言:在惰性氣體環(huán)境中,頻率對疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響不大;在腐蝕環(huán)境中,降低頻率可以提高疲勞裂紋擴(kuò)展速率.加載頻率越低,裂紋尖端的材料就有充分的時(shí)間與腐蝕環(huán)境發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),加速裂紋尖端處材料的陽極溶解,從而加快腐蝕速率.

試驗(yàn)頻率和腐蝕環(huán)境的共同作用導(dǎo)致了試樣在裂紋擴(kuò)展前期裂紋擴(kuò)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(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)兩部分組成.由圖４可以看出:疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)光滑,存在疲勞條帶,這是疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的典型組織特征;瞬斷區(qū)以韌窩為主,說明３００M 鋼具有較好的塑性.

３　結(jié)　論

(１)３００M 鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍的增加而單調(diào)遞增;在相同應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍下,應(yīng)力比為０．３下試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展速率高于應(yīng)力比為０．１下的;在NaCl水溶液中３００M 鋼和E(３TO＋２LO)＋B１峰強(qiáng)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(wǎng)-機(jī)械工程材料)