分享:不同條件下300M 鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展行為
盛偉,劉天琦,馬少俊,陳天運(yùn)
(中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院,北京100095)
摘 要:對(duì)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(duì)曲線進(jìn)行了擬合;分析了應(yīng)力比、腐蝕環(huán)境、頻率對(duì)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(lèi)號(hào):TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):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(guó)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(píng)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(duì)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(duì)300M 鋼疲勞性能的影響;張國(guó)棟等[8]對(duì)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(jiàn)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(duì)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(duì)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(duì)中速擴(kuò)展區(qū)曲線進(jìn)行了擬合,為該鋼的應(yīng)用與評(píng)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(jiàn)圖1,厚度為20mm,取樣方向?yàn)榭v向.
對(duì)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(cè)試,測(cè)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(zhǎng)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(mén)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(duì)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(duì)數(shù),得到其對(duì)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(duì)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(jiàn)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(shuō)明NaCl水溶液中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率分散性相對(duì)較大.
裂紋閉合效應(yīng)常被用來(lái)解釋?xiě)?yīng)力比對(duì)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(kāi)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(huì)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(kāi)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(duì)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(jiàn):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(duì)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(duì)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(yáng)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(shuō)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(huì)隨著距裂紋尖端距離的增加而減弱.
(文章來(lái)源:材料與測(cè)試網(wǎng)-機(jī)械工程材料)
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