分享:不同條件下300M 鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展行為
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;當(dāng)AlN含量為1%~15%時(shí),復(fù)合材料較致密,當(dāng)AlN 含量增加到20%時(shí),其組織疏松;隨著AlN 含量的增加,復(fù)合材料的顯微硬度和抗壓強(qiáng)度都呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢,摩擦因數(shù)和磨損量均先減小后增大,磨損機(jī)理由黏著磨損向磨粒磨損、剝落磨損依次轉(zhuǎn)變.
關(guān)鍵詞:銅基復(fù)合材料;AlN;放電等離子燒結(jié);摩擦磨損
中圖分類號:TB331 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1000G3738(2017)03G0039G04
EffectofAlNContentonPropertiesofAlN/ZrGCuComposite
XUJinGpeng1,ZHANGXiuGqing1,XUJinGfu2,PU HaiGzhou1,GULiangGnan1,XUELingGhua1
(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China;
2.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,NingboUniversityofTechnology,Ningbo315016,China)
Abstract:AlN/ZrGCucompositeswereprepared withraw materialsofCupowder,Zrpowderand AlNpowderby the spark plasma sintering method.The effects of AlN massfraction (1% - 20%)on the
micromorphology,mechanicalproperties,frictionandwearpropertyofthecompositewerestudied,andthewear
mechanism wasanalyzed.Theresultsshowthatfine AlN particlesdispersivelydistributedinthecopperalloy
matrix.WiththeAlN massfractionsof1%to15%,thecompositeswererelativelydensewhilethemicrostructure
wasloose withthe AlN massfractionof20%.Withtheincreaseof AlN content,the microGhardnessand
compressivestrengthofthecompositespresentedatrendoffirstincreasingthendecreasing,whilethefriction
coefficientandabrasionlossfirstdecreasedthenincreased.Thewearmechanismchangedintheorderofadhesive
wear,abrasivewearandspallingwear.
Keywords:coppermatrixcomposite;AlN;sparkplasmasintering;frictionandwear
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;
;張國棟等[8]對300M 鋼焊接接頭的疲勞斷裂制進(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50 mm;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.
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 withΔKof300Msteelsamplesunderdifferentconditions 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lg(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.。
WALKER
[10]在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了用來描述
應(yīng)力 比 對 材 料 疲 勞 裂 紋 擴(kuò) 展 速 率 影 響 的 公 式(Walker公式),其對數(shù)形式為lg(da/dN)=lgC +mlg(ΔK)-mnlg(1-R)
(2)
式中:C,n,m 為材料常數(shù).由式(2)可見,應(yīng)力比越大,疲勞裂紋擴(kuò)展速率越高.用式(2)對圖2數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果見表2.
由表2可見:300M 鋼在空氣和 NaCl水溶液中的裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)0.96以上.
表2 不同環(huán)境下300M 鋼試樣疲勞裂紋擴(kuò)展速率Walker公式擬合參數(shù)
Tab.2 FittingparametersofWalkerformulaforfatiguecrack
growthratesof300Msteelsamplesindifferentenvironments
環(huán)境 C m n r2
空氣 3.379×10-8 2.56 0.386 0.995
NaCl水溶液 4.894×10-7 1.76 0.575 0.960
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.
不同試驗(yàn)頻率下300M 鋼試樣在 NaCl水溶液中的
da/dN 隨 ΔK 的變化曲線(R=0.1)
Fig.3 Variationcurvesofda dN withΔKof300Msteelsamples
atdifferentfrequencyinNaClGwatersolution R=0.1
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.
圖4 300M 鋼試樣疲勞斷口不同區(qū)域的SEM 形貌
Fig.4 SEM micrographsatdifferentareasonfatiguefracturesurfaceof300Msteelsamples a fatiguecrackgrowthregionand b finalruptureregion
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.