0 引 言疲劳破坏是机械结构失效的主要形式之一,而其失效过程由裂纹的萌生、稳定扩展和失稳 扩展三部分组成。目前,对于长裂纹扩展规律理论已趋成熟,但小裂纹扩展规律的研究则正处于发 展中。本文采用20Cr结构钢材料研究小裂纹扩展规律。1 实验方法1.1 材料实验材料为 20Cr钢,原材料为Φ30mm的棒料,锻造成145mm×40mm×6mm的锻件,经正火 处理(920℃保温2h,空冷);再精加工为尺寸如图1所示的试样,其力学性能见表1.图1 SENT试样尺寸(mm)表1 正火20Cr的力学性能材料极限拉伸强度/MPa屈服强度 /MPa延伸率/%20Cr586.5382.229.08图2 金相显微组织照片 实验 材料20Cr钢正火后的显微组织见图2.其中白色组织为铁素体,黑色组织为珠光体。1.2 试 样参照国标GB/T6398-2000<1>和航标HB7705-2001<2>以及实 验室的夹具特点,选用中心裂纹试样(MT)作为长裂纹实验试样,选择接近标准尺寸的单边缺口 试样(SENT)作为小裂纹实验试样。选择SENT试样的原因:(1)SENT试样较好地模 拟了机构中常见的中心孔的应力场;(2)在孔底应力集中处产生自然萌生的小裂纹;(3)便于 采用复型法对裂纹长度进行监测。1.3 实验方案MT试样在2种应力比(R=-1,0)下做 恒幅和降载两种长裂纹实验,其目的是得到广泛的裂纹扩展数据以便与小裂纹实验结果进行比较。 SENT试样在2种应力比(R=-1,0)下做了疲劳实验和小裂纹扩展实验,疲劳试验是为了 选择小裂纹扩展实验的应力水平,而小裂纹扩展实验的目的则为获得a-N数据、小裂纹形状数据 。具体操作是:(1)用AC纸对缺口表面的小裂纹进行复型,再利用光学显微镜对复膜进行观察 ,对裂纹长度(2a)、裂纹位置进行测定(见文献<2>).记录下裂纹长度及相应的循环数N 就得到了a-N数据。(2)裂纹的形状系数为a/c,其中,a为裂纹沿厚度B方向的表面裂纹 的半长,c为裂纹沿宽度W方向的裂纹深度。为了得到c值,当SENT试样上的裂纹扩展到一定 的长度时,取下试样,测其缺口深度(沿W方向),然后对试样缺口进行抛光→复型→观察的循环 ,每次抛光的深度为10-20μm,直到缺口表面复膜观察不到裂纹,测此时缺口的深度,两次 缺口深度的变化即为裂纹深度c.应力强度因子ΔK的值采用文献<2>中的方法进行计算。实验 在Instron8501型电液伺服材料试验机上进行,试验频率为5-30Hz,应比为0、 -1,正弦波。2 实验结果与讨论2.1 裂纹形状和特点在裂纹很小时裂纹形状多为Z型(如 图3),这是由于当裂纹或裂纹尖端塑性变形区只限于在几个晶粒直径范围内时,裂纹主要沿主滑 移方向以纯剪切方式扩展。实验中观察到的最小裂纹为50μm.通常裂纹一出现就是两条以上, 而且,随着循环数的增加,裂纹的条数也增加,但到达一定的循环数以后,则有下降趋势。裂纹在 其长大的过程中不断的汇合。R=-1,σmax=145MPa,N=60500R=-1,σ max=168MPa,N=24400R=0,σmax=250MPa,N=75200R= 0,σmax=266MPa,N=37200图3 裂纹形状复型照片2.2 小裂纹的扩展特 性2.2.1 晶界的影响小裂纹的扩展速率(da/dN)出现一个由快变慢又加速的过程,见 图4.裂纹在尺寸很小时,主要受显微组织的影响,所以,当一裂纹萌生后,在一定时间内,扩展 速率是上升的;当裂纹扩展到晶粒边界时,扩展受阻而减慢;而当裂纹扩展至一定长度后,应力集 中在一定程度上得到松弛,继而使裂纹克服晶界阻力而前进。图4 小裂纹在R=0,σmax= 266MPa时的da/dN-2a的曲线图2.2.2 应力比对小裂纹效应的影响使用应力强 度因子ΔK对长裂纹和小裂纹的扩展速率da/dN进行关联,如图5、6所示,可以看出R=0 时小裂纹效应不明显(图6),而R=-1时表现出了明显的小裂纹效应,即相同的应力强度因子 ΔK下小裂纹要比长裂纹扩展得快得多(图5).这主要是因为R=-1时长裂纹的闭合程度较大 ,小裂纹则因为尺寸的“小”而裂纹闭合匮乏;R=0时长裂纹和小裂纹的裂纹闭合都不大。由于 受到晶界、杂质、应力等多方面的影响,小裂纹数据的分散性较大。ΔK/MPa·m1/2ΔK /MPa·m1/2图5 R=-1时,da/dN-ΔK图图6 R=0时,da/dN-ΔK 图3 结 论1.小裂纹在扩展初期裂纹形状多为Z型。裂纹的数量随着裂纹长度的增加而增加, 当到达一定的循环数后裂纹的数量呈现下降的趋势。2.裂纹的扩展过程是一个由快变慢又加速的过程。3.R=0时小裂纹效应不明显,而R=-1时表现出了明显的小裂纹效应。20Cr结构钢疲劳小裂纹扩展行为的研究@杨秀清$贵州工业大学基础部!贵州贵阳550003
@钟蜀晖$贵州工业大学基础部!贵州贵阳550003
@梁益龙$贵州工业大学冶金系!贵州贵阳550003
@邓建华$贵州工业大学基础部!贵州贵阳550003小裂纹;;
裂纹扩展;;
应力强度因子;; 晶界对正火20Cr的疲劳小裂纹扩展行为进行了研究。使用应力强度因子范围ΔK对小裂纹和长 裂纹的扩展速率进行关联。结果表明,在应力比R=0的恒幅载荷下,小裂纹效应不明显;在R= -1的恒幅载荷下,小裂纹效应则较为突出,且穿透裂纹均由多条小裂纹汇合而成。随着裂纹长度 的增加,小裂纹的扩展速率出现一个由快变慢又加速的过程。<1>GB/T6398-2000,金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法
.
<2>HB7705-2001,金属材料疲劳小裂纹扩展速率试验方法.
<3>丁传富,于 辉,吴学仁.30CrMnSiNi2A高强度钢的疲劳小裂纹扩展特性及寿命预测.金属学报,1997,33(3):277-286.
<4>胡本润,吴学仁,丁传富.Ti-6Al-4V钛合金疲劳小裂纹扩展行为的研究.航空材料学报,2000,20(3):33-37.
<5>龙莉霞,梁益龙.复相钢的疲劳小裂纹扩展实验研究.贵州工业大学学报,2002,31(2):72-76.
<6>SureshS.材料的疲劳.北京:国防工业出版社,1999.237.
<7>吴志学.中炭结构钢疲劳损伤疲劳过程及短裂纹行为研究.沈阳:东北大学,1995.14.
<8>龙莉霞.35SiMnMoV高强度钢疲劳小裂纹扩展规律的研究.贵阳:贵州工业大 学,2002.教育部重点科研项目基金0CrMnSiNi2A高强度钢的疲劳小裂纹扩展特性及寿命预测.金属学报,1997,33(3):277-286.
<4>胡本润,吴学仁,丁传富.Ti-6Al-4V钛合金疲劳小裂纹扩展行为的研究.航空材料学报,2000,20(3):33-37.
<5>龙莉霞,梁益龙.复相钢的疲劳小裂纹扩展实验研究.贵州工业大学学报,2002,31(2):72-76.
<6>SureshS.材料的疲劳.北京:国防工业出版社,1999.237.
<7>吴志学.中炭结构钢疲劳损伤疲劳过程及短裂纹行为研究.沈阳:东北大学,1995.14.
<8>龙莉霞.35SiMnMoV高强度钢疲劳小裂纹扩展规律的研究.贵阳: 贵州工业大学,2002.教育部重点科研项目基金
More abstracts about the 20Cr结构钢疲劳小裂纹扩展行为的研究