材料工程  2017, Vol. 45 Issue (7): 103-110   PDF    
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000488
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申颜团, 彭金方, 徐志彪, 刘建华, 蔡振兵, 朱旻昊
SHEN Yan-tuan, PENG Jin-fang, XU Zhi-biao, LIU Jian-hua, CAI Zhen-bing, ZHU Min-hao
18CrNiMo7-6合金钢的弯曲微动疲劳特性
Bending Fretting Fatigue Characteristics of 18CrNiMo7-6 Alloy Steel
材料工程, 2017, 45(7): 103-110
Journal of Materials Engineering, 2017, 45(7): 103-110.
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000488

文章历史

收稿日期: 2015-04-23
修订日期: 2016-09-23
18CrNiMo7-6合金钢的弯曲微动疲劳特性
申颜团1, 彭金方1, 徐志彪2, 刘建华1, 蔡振兵2, 朱旻昊1,2    
1. 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室, 成都 610031;
2. 西南交通大学 材料先进技术教育部重点实验室, 成都 610031
摘要: 对18CrNiMo7-6合金钢进行弯曲微动疲劳实验,建立弯曲微动疲劳S-N曲线,并对实验结果进行分析。结果表明:该合金钢的弯曲微动疲劳S-N曲线不同于中碳钢材料,也不同于常规弯曲疲劳,而是呈"ε"型曲线特征。随着弯曲疲劳应力的增加,微动运行区域由部分滑移区向混合区和滑移区转变,损伤区的磨损机制以剥层、磨粒磨损和氧化磨损为主。在混合区内,裂纹最易萌生和扩展,且裂纹均萌生于材料接触区次表面。受接触应力和弯曲疲劳应力影响,弯曲微动疲劳裂纹的萌生和扩展可分为三个阶段:初期,在接触应力控制下,裂纹萌生于次表面;随后,裂纹受接触应力和弯曲疲劳应力共同控制,转向更大角度方向扩展;最后,裂纹完全受弯曲疲劳应力控制而垂直于接触表面扩展,直至断裂失效。
关键词: 弯曲微动疲劳    微动损伤    疲劳寿命    裂纹扩展   
Bending Fretting Fatigue Characteristics of 18CrNiMo7-6 Alloy Steel
SHEN Yan-tuan1, PENG Jin-fang1, XU Zhi-biao2, LIU Jian-hua1, CAI Zhen-bing2, ZHU Min-hao1,2    
1. State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;
2. Key Laboratory of Advanced Technologies of Materials(Ministry of Education), Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China
Abstract: A series of bending fretting fatigue tests of 18CrNiMo7-6 alloy steel were carried out, the bending fretting fatigue S-N curve was built up, and an analysis was made on the test results. The results show that, the S-N curve of 18CrNiMo7-6 alloy steel presents a shape of "ε" curve, which is different from the medium carbon steel, and also different from the plain bending fatigue. With the increase of the bending fatigue stress, the fretting regime transforms from partial slip regime to mixed regime and slip regime. The wear mechanisms of fretting damage zones mainly are delaminated, abrasive wear and oxidative wear. In the mixed regime, the cracks are easy to initiate and propagate, and the cracks all originate from the subsurface of contact zone. Due to the different influence levels of the contact stress and bending fatigue stress, the initiation and propagation of the bending fretting fatigue cracks can be divided into three stages. Firstly, the cracks initiate from subsurface under the control of contact stress; then propagate to a larger angle direction under the joint control of contact stress and bending fatigue stress; lastly the cracks propagate vertically to contact surface until fracture failure under the control of bending fatigue stress.
Key words: bending fretting fatigue    fretting damage    fatigue life    crack propagation   

微动疲劳是指构件接触表面由于承受外界交变疲劳载荷引起变形而产生位移幅值极小的相对运动(通常在微米量级),促使疲劳裂纹提前萌生和扩展,最终导致构件过早失效破坏的现象[1, 2]。国内外相关研究表明,微动疲劳现象广泛存在于机械、铁路、电力、航空航天等工业领域的各类紧固配合构件当中,它会促使材料接触区域内裂纹提前萌生并扩展,造成其安全服役寿命大幅降低而过早失效破坏[3-7]。由于微动疲劳因素的影响,构件的使用寿命普遍会降低20%~80%。18CrNiMo7-6合金钢是一种传动系统中常用的低碳合金结构钢,主要作为传递较大动力和承受较大载荷的传动部件材料,目前广泛应用于机车牵引、风力发电、起重运输等工业领域,例如机车牵引电机的小齿轮轴[8]。本工作以18CrNiMo7-6合金钢作为研究对象,通过弯曲微动疲劳实验研究,深入分析了该材料的弯曲微动疲劳特性,旨在为其工程应用提供一定的理论指导和参考。

1 实验 1.1 实验材料

实验选用的材料为18CrNiMo7-6合金钢(σ0.2=925MPa,σb=1125MPa)。微动垫材料为40CrNi2MoA合金钢(σ0.2=885MPa,σb=1018MPa),用来模拟一对过盈配合接触副,两种材料的主要成分如表 1所示。将18CrNiMo7-6合金钢加工成圆柱试样,尺寸图如图 1所示,微动垫是尺寸为ϕ40mm×50mm的圆柱。实验时,将圆柱试样左端固定,微动垫与圆柱试样在图 1中所示的A点位置接触,接触模式为圆柱/圆柱正交点接触。弯曲疲劳载荷施加在B点位置,在弯曲疲劳载荷和法向接触载荷的共同作用下,A点将产生微动损伤。

表 1 实验合金钢的主要成分(质量分数/%) Table 1 Main compositions of experimental alloy steels(mass fraction/%)
Material C Si Mn Cr Ni Mo P S Fe
18CrNiMo7-6 0.14-0.19 0.15-0.40 0.40-0.60 1.50-1.80 1.40-1.70 0.25-0.35 ≤0.035 ≤0.035 Bal
40CrNi2MoA 0.38-0.43 0.20-0.35 0.60-0.80 0.70-0.90 1.65-2.00 0.20-0.30 ≤0.025 ≤0.025 Bal
图 1 弯曲微动疲劳试样尺寸图 Fig. 1 Diagram of geometry for bending fretting fatigue specimen
1.2 实验设备及参数

弯曲微动疲劳实验是在EHF-UM100k2-040-0A型电液伺服疲劳试验机上进行,并自主设计了高精度弯曲微动疲劳实验加载及夹持装置。载荷加载频率f=20Hz,加载应力比R=0.1,正弦波加载。微动垫上的法向接触载荷Fn=1000N,最大循环次数N=1×106。弯曲疲劳载荷通过σa, max=32FLd3可换算成对应的最大弯曲应力(表 2)。其中,σa, max为最大弯曲应力,F为弯曲疲劳载荷,L为弯曲疲劳载荷作用点和法向接触载荷作用点之间的距离,即图 1中所示的AB两点之间的距离,d为圆柱试样的圆截面直径。

表 2 弯曲疲劳载荷与最大弯曲应力 Table 2 Bending fatigue load and maximal bending stress
Bending fatigue load/kN Maximal bending stress/MPa
8.00 895.2
8.25 923.2
8.50 951.2
8.75 979.2
9.00 1007.2
9.25 1035.1
9.50 1063.1

利用BX60M型光学显微镜(OM)和JSM6610型扫描电子显微镜(SEM)进行损伤微观分析,研究不同循环次数和循环载荷对弯曲微动疲劳损伤的影响以及裂纹的萌生和扩展规律。

2 结果及讨论 2.1 弯曲微动疲劳S-N曲线

图 2为弯曲微动疲劳S-N曲线。可以看出,曲线具有以下特点:(1) 随着弯曲疲劳应力的增加,材料的疲劳寿命呈明显下降趋势,且此疲劳寿命值远低于同等弯曲疲劳应力下的常规弯曲疲劳值。这是因为,弯曲微动疲劳与常规弯曲疲劳相比,在其弯曲疲劳应力和局部接触应力的共同作用下,局部塑性变形和应力集中加剧,裂纹更易萌生和扩展,以致材料过早断裂失效。(2) 在相同法向接触应力下,材料的疲劳寿命随弯曲疲劳应力的增加而明显下降,但当弯曲疲劳应力达到一个临界值后,其疲劳寿命却随弯曲疲劳应力的增加而呈现出上升趋势。不过,当弯曲疲劳应力继续增加到一定数值后,材料的疲劳寿命又开始变为随其增加而下降。换言之,即材料的疲劳寿命随弯曲疲劳应力的增加,呈现先减小后增大然后再减小的变化趋势,S-N曲线呈“ε”型曲线特征。Peng等[9-13]针对几种金属材料展开弯曲微动疲劳实验研究,同样得到了类似的S-N曲线特征;Hyukjae等[14]在拉压微动疲劳方面的研究亦得到了类似的结果。此外,与中碳钢材料(如LZ50钢)的“C”型S-N曲线相比,18CrNiMo7-6合金钢的“ε”型S-N曲线比其多出了疲劳寿命的第二次下降趋势,这可能是由于中碳钢材料的屈服强度远低于18CrNiMo7-6合金钢屈服强度的缘故。(3) 类似于微动磨损,随着弯曲疲劳应力的增加,弯曲微动疲劳也存在3个不同动态特性的微动运行区域:部分滑移区(Partial Slip Regime,PSR)、混合区(Mixed Regime,MR)和滑移区(Slip Regime,SR),其分别对应于材料响应微动图的轻微损伤区、裂纹区和磨损区。在部分滑移区,由于弯曲疲劳应力较小,其引起的微动位移相对较小,微动损伤轻微,裂纹不易萌生和扩展,材料运行1×106次实验后,未发生断裂。在混合区,材料接触区域固定端一侧的损伤带内可观察到有微观裂纹萌生并扩展。这是因为,随着弯曲疲劳应力的增加,材料接触界面间的微动位移增大,联合法向接触应力的作用,使得材料在接触界面间塑性累积增多,塑性变形加剧,材料剥落形成凹坑,诱使裂纹在凹坑位置萌生和扩展。在此区域内,材料的疲劳寿命先是急剧下降,在最大弯曲疲劳应力达到951.2MPa(弯曲疲劳载荷为8.50kN)时,疲劳寿命达到最低,此即为临界点。之后,随着弯曲疲劳应力的继续增加,材料接触界面间微动位移继续增大,磨损加剧,材料的磨损速率逐渐超过裂纹的萌生速率,致使裂纹还未来得及扩展便已随着材料的磨损而被去除,裂纹的萌生和扩展受到抑制,因此,材料的疲劳寿命转而呈现出上升趋势。在滑移区,当弯曲疲劳应力增加到一定数值后,材料的疲劳寿命又再次转而随之下降,这是因为此时的弯曲疲劳应力已超出了材料的屈服极限。

图 2 弯曲微动疲劳S-N曲线 Fig. 2 S-N curves of bending fretting fatigue
2.2 微动损伤区域分析

从3个微动运行区域中,各取1个特征弯曲疲劳应力值,比较材料在运行相同循环次数后的接触区损伤情况(图 3)。可知材料接触区损伤形貌均呈椭圆环状,由于材料是左端固定,右端承受弯曲疲劳应力作用,因此其右端相对位移较大,损伤区域较宽,使得损伤形貌呈明显非对称特征。

图 3 不同弯曲疲劳应力下接触区损伤形貌 (a)F=8.00kN, σa, max=895.2MPa; (b)F=8.50kN, σa, max=951.2MPa; (c)F=9.00kN, σa, max=1007.2MPa Fig. 3 Damage morphologies of contact zone under different bending fatigue stress (a)F=8.00kN, σa, max=895.2MPa; (b)F=8.50kN, σa, max=951.2MPa; (c)F=9.00kN, σa, max=1007.2MPa

当弯曲疲劳应力较小时(F=8.00kN,σa, max=895.2MPa),微动运行于部分滑移区。如图 3(a)所示,在部分滑移区,材料接触区损伤轻微,呈非对称椭圆环状磨损形貌,可分为由接触边缘微滑引起的轻微磨损区和接触中心几乎无损伤的黏着区。在材料接触区域的固定端一侧,如图 4(a)所示,损伤带较窄,且可观察到轻微的塑性流动痕迹和少量的因材料片状剥落而形成的凹坑存在,但没有发现裂纹在此处萌生。除此之外,还可观察到有许多磨屑颗粒堆积,这是因为此处的微动位移幅值较小,材料片状剥落后形成的碎片难以及时排出,在接触界面间经两接触体反复碾压,再加上氧化作用,变为体积更小的磨屑颗粒堆积于此。而在材料接触区域的加载端一侧,如图 4(b)所示,损伤带比固定端一侧要宽很多,可观察到有明显的犁沟和微观切削痕迹存在,这属于典型的磨粒磨损特征。总之,在部分滑移区,微动损伤较为轻微,未发现微观裂纹存在,磨损机制主要以磨粒磨损和氧化磨损为主。

图 4 部分滑移区的微动损伤形貌(F=8.00kN, σa, max=895.2MPa, N=3×105cycles) (a)固定端;(b)加载端 Fig. 4 Fretting damage morphologies in the PSR(F=8.00kN, σa, max=895.2MPa, N=3×105cycles) (a)fixed end; (b)loading end

随着弯曲疲劳应力的增加(F=8.50kN,σa, max=951.2MPa),微动由部分滑移区向混合区转变。如图 3(b)所示,在混合区,材料接触区的整体损伤程度较部分滑移区明显加重。在材料接触区域的固定端一侧,如图 5(a)所示,塑性流动现象明显著,已经能够观察到连续的凹槽状损伤。除此之外,有许多因材料片状剥落而形成的凹坑存在,以及材料片状剥落后形成的磨屑碎片氧化后堆积于损伤带内。将长方形区域形貌进一步放大观察,可发现有多条微观裂纹萌生于此,如图 5(b)所示,如果实验循环次数继续增加,此处微观裂纹必将迅速扩展,最终导致材料断裂失效。裂纹之所以会在此处萌生,主要是因为此时损伤带内接触应力较高而微动位移幅值较小,材料的变形能无法得到及时释放而在材料接触界面间造成了过高的塑性累积,引发塑性流动,演变形成裂纹源。反观加载端一侧的损伤带,如图 5(c)所示,相比于部分滑移区,其损伤宽度有所增加,且磨粒磨损显著加剧,观察到的犁沟和微观切削数目明显增多。总之,在混合区,微动损伤急剧增加,有裂纹萌生,磨损机制主要以剥层和磨粒磨损为主。

图 5 混合区的微动损伤形貌(F=8.50kN, σa, max=951.2MPa, N=3×105cycles) (a)固定端;(b)图 5(a)长方形区域放大图;(c)加载端 Fig. 5 Fretting damage morphologies in the MR(F=8.50kN, σa, max=951.2MPa, N=3×105cycles) (a)fixed end; (b)magnified image of rectangle in fig. 5(a); (c)loading end

随着弯曲疲劳应力的进一步增加(F=9.00kN,σa, max=1007.2MPa),微动由混合区向滑移区转变。如图 3(c)所示,在滑移区,材料接触区的损伤形貌较之先前又有所不同。在材料接触区域的固定端一侧,如图 6(a)所示,可观察到损伤带宽度又有所增加,但却未发现有裂纹萌生于此。这是因为,此时接触界面间微动位移幅值较大,材料的变形能可以及时得到释放,塑性累积减少,塑性流动和材料剥落现象随之减弱,不利于裂纹萌生。而且,随着磨损程度的加剧,材料的磨损速率超过了裂纹的萌生速率,致使裂纹还未来得及扩展便已随着材料的磨损而被去除,裂纹的萌生和扩展受到抑制,无法形成具有破坏性的主裂纹。而在加载端一侧的损伤带内,如图 6(b)所示,可发现其损伤宽度再次增加,且磨粒磨损程度显著加剧,犁沟和微观切削引起的损伤区域较之部分滑移区时增加了1倍有余。总之,在滑移区,材料磨损严重,但裂纹的萌生和扩展受到抑制,磨损机制主要以剥层、磨粒磨损和氧化磨损为主。

图 6 滑移区的损伤形貌(F=9.00kN, σa, max=1007.2MPa, N=3×105cycles) (a)固定端;(b)加载端 Fig. 6 Fretting damage morphologies in the SR(F=9.00kN, σa, max=1007.2MPa, N=3×105cycles) (a)fixed end; (b)loading end
2.3 微动疲劳裂纹分析

18CrNiMo7-6合金钢的弯曲微动疲劳实验结果显示,该材料的弯曲微动疲劳裂纹均萌生于接触区域靠近固定端一侧的损伤带内。图 7为混合区裂纹SEM像。可知,在材料接触区域固定端一侧的损伤带内,有两条明显的裂纹存在,而反观加载端一侧的损伤带内,虽然可见明显的磨粒磨损现象,但却并没有发现裂纹存在(F=8.50kN,σa, max=951.2MPa)。

图 7 混合区裂纹SEM像(F=8.50kN, σa, max=951.2MPa) Fig. 7 SEM images of crack in the MR(F=8.50kN, σa, max=951.2MPa)

究其原因,在材料接触区域固定端一侧的损伤带内,材料接触界面间的法向接触应力较高而微动位移幅值较小,以致材料的变形能无法得到及时释放,而造成了过高的塑性累积。当塑性累积达到一定程度后,便会演变产生裂纹源,引起裂纹萌生并扩展。而在材料接触区域加载端一侧的损伤带内,材料接触界面间的微动位移幅值较大,磨屑能够及时排出,材料的变形能可得到及时释放,未造成过高的塑性累积,因此不易在此处形成裂纹源。而且,此处虽然磨粒磨损十分剧烈,但材料的磨损速率超过了裂纹的萌生速率,以至裂纹还未来得及扩展便已随材料的磨损而被去除,无法形成具有破坏性的主裂纹。

为了进一步探究材料弯曲微动疲劳裂纹的萌生和扩展机制,将裂纹试样沿轴向从接触区域中间剖开,在扫描电镜等分析测试仪器下进行全面的剖面分析(图 8)。如图 8(a)所示,材料经过1×105次循环后,在其接触区域固定端一侧的损伤带剖面中,仅能观测到多条很短的表面微观裂纹(长度在10μm以内)。而当实验循环次数增加到4×105次时,观察到有长度超过100μm的初步具有破坏性的长裂纹存在,如图 8(b)所示。可以看出,此时的裂纹已经完成了早期扩展阶段,其早期扩展方向与接触表面间大约呈50°角。

图 8 弯曲微动疲劳裂纹剖面SEM像(F=8.50kN, σa, max=951.2MPa) (a)N=1×105cycles; (b)N=4×105cycles; (c)图 8(b)长方形区域放大图 Fig. 8 SEM images of bending fretting fatigue crack cross-section(F=8.50kN, σa, max=951.2MPa) (a)N=1×105cycles; (b)N=4×105cycles; (c)magnified image of rectangle in fig. 8(b)

将该裂纹剖面的形貌特征在扫描电镜下进一步放大,如图 8(c)所示,可以观察到,在主裂纹旁边,还有一条尚未与材料接触表面相贯通的次裂纹存在。由此可以判断,圆圈所示的位置便是弯曲微动疲劳裂纹的萌生位置,其位于材料接触区域内距离表面约50μm深的次表面处。

弯曲微动疲劳裂纹完整的萌生和扩展路线如图 9所示。可以看出,裂纹的萌生和扩展大致可分为3个阶段:(1) 裂纹在材料接触区域固定端一侧损伤带的次表面处萌生,并以与接触表面间呈大约50°角的方向开始扩展,直到与接触表面相贯通,形成弯曲微动疲劳的主裂纹。在此阶段内,裂纹的萌生和扩展主要受法向接触应力控制,外加弯曲疲劳应力只起一定的辅助作用;(2) 随着裂纹扩展深度的不断增加,法向接触应力的影响作用逐渐减弱,而弯曲疲劳应力的控制作用则逐渐加强。在裂纹扩展深度超过法向接触应力的最大影响深度之前,存在着一段由法向接触应力和弯曲疲劳应力共同控制裂纹扩展的过渡时期。在此阶段内,裂纹的扩展速率和扩展方向由法向接触应力和弯曲疲劳应力共同控制,裂纹扩展角度在逐渐增大,逐渐转为向垂直于接触表面的方向扩展;(3) 此阶段内,裂纹扩展深度已经超出了法向接触应力的最大影响深度,因此裂纹扩展完全受弯曲疲劳应力的控制,裂纹扩展方向垂直于接触表面,材料将很快断裂失效。

图 9 裂纹萌生和扩展路线图(F=8.50kN, σa, max=951.2MPa) Fig. 9 Image of crack initiation and propagation paths (F=8.50kN, σa, max=951.2MPa)
2.4 微动疲劳断口分析

图 10为疲劳断口裂纹源区SEM像。对断裂失效后的弯曲微动疲劳试样进行断口分析发现,其疲劳断口整体形貌均呈现放射状,如图 10(a)所示。裂纹的萌生位置位于接触区域固定端一侧的次表面处,即放射状纹路所指向的区域,距离表面约50~100μm深,如图 10(c)中圆圈所示位置,该结果正好可与裂纹剖面分析中所得到的结论相互印证。当裂纹在接触区域的次表面处萌生后,两断面之间由于承受加载应力比R=0.1的弯曲疲劳应力作用,而在裂纹扩展过程中发生相互摩擦,在断面间产生少量磨屑以及擦伤痕迹,如图 10(b)所示。除此之外,从图 10(d)中还可以看到,在裂纹源区附近,有垂直于断面向内扩展的二次裂纹存在。

图 10 疲劳断口裂纹源区SEM像 (a)疲劳断口整体形貌; (b)磨屑及擦伤痕迹; (c)裂纹萌生位置; (d)二次裂纹 Fig. 10 SEM images of fatigue fracture crack source region (a)entirety morphology of fatigue fracture; (b)wear debris and bruise; (c)crack initiation location; (d)secondary crack

图 11为疲劳断口裂纹扩展区SEM像。随着裂纹扩展深度的不断增加,弯曲疲劳应力对裂纹扩展的影响越来越明显,裂纹逐渐转向垂直于接触表面的方向扩展。如图 11(a)所示,在裂纹扩展区内,有许多因裂纹反复开合而形成的疲劳条纹存在,将该处形貌进一步放大观察,还可发现有许多二次裂纹及典型穿晶特征存在,如图 11(b)所示。

图 11 疲劳断口裂纹扩展区SEM像 (a)疲劳条纹; (b)二次裂纹及穿晶特征 Fig. 11 SEM images of fatigue fracture crack propagation region (a)fatigue stripe; (b)secondary crack and transgranular feature
3 结论

(1) 建立了18CrNiMo7-6合金钢弯曲微动疲劳S-N曲线,曲线呈“ε”型曲线特征。

(2) 弯曲微动疲劳接触区的磨损机制以剥层、磨粒磨损和氧化磨损为主,随着弯曲疲劳应力的增加,微动运行区域由部分滑移区向混合区和滑移区转变。在混合区,裂纹最易萌生和扩展,材料的疲劳寿命最低。

(3) 弯曲微动疲劳裂纹均萌生于材料接触区域固定端一侧的次表面处,裂纹的萌生和扩展可分为3个阶段:首先,在接触应力控制下,裂纹萌生于次表面;然后,受接触应力和弯曲疲劳应力共同控制,裂纹转向更大角度方向扩展;最后,裂纹完全受弯曲疲劳应力控制而垂直于接触表面扩展,直至断裂失效。

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