田丹丹，何國(guó)球，沈　月，劉曉山，呂世泉 ，林國(guó)斌，任敬東，胡　杰

(1. 同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海市金屬功能材料開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201804；2. 同濟(jì)大學(xué) 磁浮交通工程技術(shù)研究中心，上海 201804)

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方形和菱形路徑下35CrMoA拉扭復(fù)合微動(dòng)疲勞行為

田丹丹1，何國(guó)球1，沈月1，劉曉山1，呂世泉1，林國(guó)斌2，任敬東2，胡杰2

(1. 同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海市金屬功能材料開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201804；2. 同濟(jì)大學(xué) 磁浮交通工程技術(shù)研究中心，上海 201804)

研究了35CrMoA合金鋼在接觸應(yīng)力為150MPa，等效應(yīng)力幅值為400MPa時(shí)方形和菱形路徑下的微動(dòng)疲勞特性，包括循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)特征、疲勞壽命、微動(dòng)斑及微動(dòng)疲勞斷口的形貌特征。結(jié)果表明，方形路徑下，35CrMoA鋼經(jīng)緩慢循環(huán)軟化、快速軟化到達(dá)最后的穩(wěn)定階段，而菱形加載下，材料快速軟化之后直接到達(dá)穩(wěn)定階段；兩種路徑下的疲勞壽命差別不大；方形加載的滑移區(qū)較寬，粘著區(qū)較窄，而菱形加載則相反；方形路徑下裂紋垂直于試樣表面擴(kuò)展，而菱形加載路徑下的微裂紋是曲折的，沿與軸線成一定角度的方向上擴(kuò)展。

35CrMoA合金鋼；加載路徑；微動(dòng)疲勞；微動(dòng)斑；斷口形貌

0　引　言

隨著科技的發(fā)展，服役工況條件愈來愈苛刻，對(duì)零部件精度、壽命和可靠性的要求也越來越高。高速列車輪軸鋼35CrMoA的冷切斷裂主要由輪軸壓裝部位的微動(dòng)疲勞引起，縮短輪軸壽命，甚至帶來列車脫軌等嚴(yán)重事故[1-2]。從微動(dòng)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)至今，研究人員已進(jìn)行大量研究，并總結(jié)出一些微動(dòng)疲勞損傷機(jī)理。眾所周知，加載路徑對(duì)材料疲勞特性影響很大，然而國(guó)內(nèi)外對(duì)35CrMoA合金鋼的多軸微動(dòng)疲勞行為研究較少，材料在方形和菱形路徑加載下微動(dòng)疲勞的研究更是空缺[3-5]，這使列車安全隱患增加。本文擬研究35CrMoA在不同路徑下的微動(dòng)疲勞特性，通過觀察微動(dòng)斑及斷口特征，研究微動(dòng)損傷及微動(dòng)疲勞斷裂機(jī)理，從而明確加載路徑對(duì)35CrMoA微動(dòng)疲勞的影響。

1　實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用材料為35CrMoA合金鋼，其成分列于表1。

表1　35CrMoA鋼的化學(xué)成分(%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))

本研究用35CrMoA鋼為直徑16mm的棒材，具體調(diào)質(zhì)工藝為：將35CrMoA放入預(yù)熱電阻爐，850 ℃下固溶處理25min，油冷，之后550 ℃下回火60min，油冷。把調(diào)質(zhì)后的材料制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸、微動(dòng)疲勞試樣及配套微動(dòng)橋，尺寸如圖1所示。微動(dòng)橋材料與熱處理工藝與試樣相同。考慮到疲勞裂紋萌生對(duì)試樣表面狀態(tài)敏感，疲勞試樣工作段需精密拋光，拋光后的表面粗糙度Ra≤0.16。

圖1　微動(dòng)疲勞試樣及微動(dòng)橋尺寸

Fig1Sizeoffrettingfatiguespecimenandfrettingbridge

本研究用到的主要設(shè)備為MTS809電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，并安裝微動(dòng)裝置，實(shí)驗(yàn)時(shí)，試樣上端由上夾頭固定，下端由下夾頭夾持。軸向和扭向載荷均以方形波加載；微動(dòng)橋通過調(diào)節(jié)螺栓和微動(dòng)框剛性連接。圖2為加載路徑示意圖。

圖2　加載路徑示意圖

方形和菱形加載示意圖如圖2所示，其中σ和τ分別是軸向應(yīng)力和剪切應(yīng)力。

對(duì)于35CrMoA合金鋼，在接觸應(yīng)力為150MPa，等效應(yīng)力幅值為400MPa時(shí)分別在方形、菱形路徑下進(jìn)行拉扭復(fù)和微動(dòng)疲勞試驗(yàn)，用Leitz307光學(xué)顯微鏡觀察試樣微觀組織，用FEIQuanta200F場(chǎng)發(fā)射SEM對(duì)微動(dòng)斑和疲勞斷口進(jìn)行分析，研究微動(dòng)損傷及疲勞斷裂的特點(diǎn)和機(jī)理。

2　結(jié)果和討論

2.1微觀組織

圖3為35CrMoA合金鋼的原始組織形貌?？梢钥闯霾牧辖?jīng)調(diào)質(zhì)后，得到的組織為細(xì)小回火索氏體，保留了原淬火馬氏體的方位，碳化物等析出相非常細(xì)小且不明顯，如圖3(a)所示。利用日立H-800TEM觀察的組織結(jié)構(gòu)如圖3(b)，可見位錯(cuò)是最主要的特征，且以零散的線狀分散，無明顯的規(guī)律性和方向性，同時(shí)組織還保留了部分細(xì)小的馬氏體板條，具有一定的位向特征[6-7]。

圖3　35CrMoA顯微組織圖

2.2拉伸性能

將拉伸試樣裝夾于MTS809疲勞試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，采用位移控制，加載速度為2mm/min。得到圖4(a)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，35CrMoA力學(xué)性能如表2。從試件夾持部分橫向截取小塊試樣，用HVS-50A型號(hào)維氏硬度計(jì)，沿直徑方向均布測(cè)試5點(diǎn)硬度值取平均值。試驗(yàn)時(shí)施加的壓力為98N，保壓時(shí)間為15s，得到的硬度值如圖4(b)。

表2　35CrMoA常規(guī)力學(xué)性能

圖435CrMoA力學(xué)性能

Fig4Mechanicalpropertiesof35CrMoA

2.3循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)特征

圖5為35CrMoA在接觸應(yīng)力150MPa，等效應(yīng)力幅值400MPa時(shí)不同路徑下的等效應(yīng)變-循環(huán)周次曲線，可見材料的等效應(yīng)變隨循環(huán)周次的增加表現(xiàn)出不同程度的增加，說明35CrMoA在不同路徑下表現(xiàn)出不同程度的循環(huán)軟化[8]。

圖5不同加載路徑下等效應(yīng)變隨微動(dòng)疲勞周期的演變關(guān)系

Fig5Equivalentstressamplitudevsnumberofcyclescurvesof35CrMoAunderdifferentloadingpaths

方形加載下：前100周，35CrMoA為緩慢軟化；100～250周次，進(jìn)入快速軟化階段；300周次后到達(dá)穩(wěn)定。菱形加載下：前100周次，等效應(yīng)變?cè)黾语@著，隨后保持穩(wěn)定。因?yàn)樵诶み^程中，應(yīng)力應(yīng)變?cè)隽渴噶康淖兓?guī)律不同，方形路徑下，循環(huán)載荷在剪應(yīng)變方向到達(dá)最大，之后經(jīng)90°轉(zhuǎn)折角，而菱形路徑下，循環(huán)載荷在剪應(yīng)變與軸向應(yīng)變對(duì)角方向到達(dá)最大，后經(jīng)45°轉(zhuǎn)折角變形，兩者之間總有45°的相位差，就導(dǎo)致了如圖所示的應(yīng)力響應(yīng)特征。

2.4疲勞壽命

表3給出了35CrMoA鋼在接觸應(yīng)力150MPa，等效應(yīng)力幅值400MPa時(shí)不同路徑下試樣的疲勞壽命，可以看出，方形和菱形路徑下合金的疲勞壽命差別不大。這是因?yàn)閮煞N路徑下都同時(shí)存在著軸向應(yīng)變和扭向應(yīng)變，在一個(gè)循環(huán)過程中其大小和方向發(fā)生的變化基本相同，因此兩者的疲勞壽命基本一致。

表335CrMoA在方形和菱形路徑下的多軸微動(dòng)疲勞壽命

Table3Fatiguelifeof35CrMoAundersquareanddiamondpaths

NoNormalcontactpressure/MPaEquivalentstressamplitude/MPaFrettingfatiguelife/NAveragelife/N16268方形1504001452414624Square1308017332菱形1504001326414288Diamond12268

2.5微動(dòng)斑形貌特征

2.5.1微動(dòng)區(qū)域特征分析

圖6，7為35CrMoA在方形和菱形路徑下的微動(dòng)斑，可分為粘著區(qū)和滑移區(qū)。方形路徑下，滑移區(qū)較寬，粘著區(qū)相對(duì)較窄；菱形路徑下則相反。由于在方形路徑下，試樣與微動(dòng)橋之間貼合更緊密，產(chǎn)生的微動(dòng)摩擦也大，阻礙微動(dòng)摩擦表面的相對(duì)滑移，使得微動(dòng)摩擦面的相對(duì)滑移幅度減小，導(dǎo)致滑移區(qū)較窄。

并且方形路徑下的粘著區(qū)，具有輕微滑擦、碾壓、抹平的痕跡，如圖6(c)，這是試樣受到微動(dòng)橋的接觸應(yīng)力，表層產(chǎn)生塑性變形，粘著區(qū)內(nèi)微動(dòng)體間的靜摩擦力大于外載的交變剪切力，二體相對(duì)位移幾乎為零，故粘著區(qū)磨損較輕。而在滑移區(qū)具有明顯的滑動(dòng)磨損、溝槽的痕跡，如圖6(b)所示。圖7(c)是菱形路徑下的粘著區(qū)顯微形貌，可以看出粘著區(qū)由很小的麻坑狀斑痕組成，這些微小的斑痕呈橢圓形，沒有明顯方向性。而滑移區(qū)上堆積了大量的磨屑，這些磨屑可能是摩擦磨損產(chǎn)生的，也可能是從粘著區(qū)排出來的[9-10]，如圖7(b)。

2.5.2微裂紋特征分析

微動(dòng)裂紋一般萌生于粘著區(qū)與滑移區(qū)交界處、微動(dòng)橋壓腳部位，這些部位應(yīng)力集中較大，是裂紋萌生的有利處所[11]。由圖8知，方形和菱形路徑下裂紋均萌生于滑移區(qū)且靠近粘著區(qū)的部位，主裂紋面與軸向大致成45°，此部位應(yīng)力集中嚴(yán)重，疲勞裂紋最容易萌生。不過由圖8(a)知，在方形路徑下混合區(qū)內(nèi)還存在與軸向基本平行的微動(dòng)裂紋，但沒有引起試樣的最終斷裂，因?yàn)椋?1)裂紋在與軸向平行的面上擴(kuò)展阻力比與軸向成45°的面上大；(2)扭轉(zhuǎn)方向微動(dòng)磨損程度較軸向嚴(yán)重的多，微裂紋可能在微動(dòng)過程中被擦除。所以最終導(dǎo)致失效的裂紋主要是那些與軸向成45°的裂紋[12-13]。

圖6　方形路徑下的微動(dòng)斑形貌

圖7　菱形路徑下的微動(dòng)斑形貌

圖8　不同路徑下的微動(dòng)斑裂紋

Fig8Freetingspotcrackunderdifferentloadingpaths

2.6微動(dòng)疲勞斷口形貌特征

2.6.1宏觀斷口形貌特征

圖9是35CrMoA不同路徑下微動(dòng)疲勞斷口宏觀形貌，其具有一般疲勞斷口的特征，包括裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。整個(gè)斷口并不是一個(gè)與試件軸向垂直的平面，這是由于存在拉扭復(fù)合作用，容易出現(xiàn)鋸齒或星狀疲勞斷口，形成形態(tài)各異的臺(tái)階。裂紋萌生處發(fā)生明顯氧化使其顏色較暗，是疲勞裂紋最先形成的部位。這是微動(dòng)疲勞過程中，微動(dòng)區(qū)域連續(xù)摩擦使試樣表面溫度升高，同時(shí)從材料表面剝落的磨屑細(xì)小，化學(xué)活性高，暴露在空氣中容易氧化[14]。

圖9　35CrMoA斷口宏觀形貌

2.6.2微觀斷口形貌特征

(1) 裂紋源區(qū)微裂紋

圖10是在等效應(yīng)力幅值為400MPa，接觸應(yīng)力為150MPa時(shí)方形和菱形路徑下的裂紋源區(qū)微裂紋，可以看出，方形加載下的微動(dòng)疲勞有多個(gè)裂紋源，裂紋在微動(dòng)斑表面形成，垂直于試樣表面擴(kuò)展。因?yàn)樵嚇优c摩擦副反復(fù)摩擦，使近表層材料產(chǎn)生嚴(yán)重塑性變形，導(dǎo)致表面塑性枯竭，在循環(huán)應(yīng)力和表面摩擦力的共同作用下，表面材料開裂，形成垂直于表面的微裂紋。這些裂紋源又不處于同一平面，擴(kuò)展的結(jié)果，使各裂紋源之間不斷合并而分割出許多臺(tái)階。而菱形加載路徑下的微裂紋是曲折的，這與試樣的受力狀態(tài)有關(guān)[15]。

圖10　微動(dòng)疲勞裂紋源區(qū)的微裂紋

Fig10MicrocracksmorphologyoffreetingfatigueInitiationregion

(2) 裂紋擴(kuò)展區(qū)的微裂紋

在微動(dòng)疲勞裂紋的擴(kuò)展區(qū)，除了可以看到疲勞貝紋線外，還可以看到與主裂紋垂直的微裂紋，如圖11是方形和菱形路徑下微動(dòng)疲勞擴(kuò)展區(qū)的微裂紋。

圖11　微動(dòng)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的微裂紋

Fig11Microcracksmorphologyoffreetingfatiguepropagationregion

從圖11(a)中看到，方形路徑下，微裂紋存在于晶界處，且沿晶界擴(kuò)展。這是由于在扭轉(zhuǎn)載荷作用下，橫截面上產(chǎn)生的剪切應(yīng)力不同，距離軸心的距離愈大，剪切應(yīng)力也愈大，這種應(yīng)力差導(dǎo)致晶界開裂，產(chǎn)生垂直于主裂紋而平行于軸向的微裂紋。而菱形路徑下，試樣受到拉扭應(yīng)力的復(fù)合作用，使得微裂紋的擴(kuò)展方向并不垂直于試樣的軸向，而是沿與軸線成一定角度的方向擴(kuò)展，如圖11(b)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀測(cè)，裂紋擴(kuò)展的角度大小與軸向拉伸應(yīng)力和切向剪切應(yīng)力大小有關(guān)[16-17]。

(3) 裂紋瞬斷區(qū)的微裂紋

瞬斷區(qū)是裂紋最后失穩(wěn)形成的斷口區(qū)域，裂紋經(jīng)過疲勞源及擴(kuò)展區(qū)后，尺寸達(dá)到臨界裂紋尺寸，此時(shí)尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到材料的臨界斷裂韌度[18]。隨著微動(dòng)疲勞繼續(xù)，裂紋快速擴(kuò)展直至失效。盡管35CrMoA鋼為韌性材料，但在多軸微動(dòng)疲勞下，試樣沒有明顯塑性變形，屬于脆斷。圖12(a)是方形路徑下瞬斷區(qū)中的放射線狀斷面，可以發(fā)現(xiàn)放射線狀條紋，其方向隨裂紋擴(kuò)展而變得彎曲，而放射線就是裂紋擴(kuò)展包絡(luò)線的重合部位，所以放射線方向會(huì)隨裂紋擴(kuò)展而變化。而菱形路徑下，摩擦磨損破壞了材料的完整性，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，在微動(dòng)疲勞中后期斷口區(qū)萌生大量的微裂紋，如圖12(b)所示。

圖12　微動(dòng)疲勞裂紋瞬斷區(qū)的微裂紋

Fig12Microcracksmorphologyoffreetingfatiguedamageregion

3　結(jié)　論

(1)35CrMoA鋼在不同路徑下表現(xiàn)出不同程度的循環(huán)軟化，方形加載下，前100周是緩慢軟化，100～250周次是快速軟化，之后到達(dá)穩(wěn)定；菱形加載下，前100周疲勞試樣發(fā)生快速循環(huán)軟化，隨后達(dá)到穩(wěn)定。

(2)方形和菱形路徑下35CrMoA的疲勞壽命無明顯差異。

(3)35CrMoA微動(dòng)區(qū)域形貌，粘著區(qū)，具有輕微滑擦、碾壓、抹平的痕跡，滑移區(qū)具有明顯的滑動(dòng)磨損、溝槽的痕跡。方形路徑下的滑移區(qū)較寬，粘著區(qū)相對(duì)較窄；菱形路徑下則相反。

(4)35CrMoA微動(dòng)疲勞斷口形貌特征，方形路徑下裂紋垂直于試樣表面擴(kuò)展，而菱形加載路徑下的微裂紋是曲折的，沿與軸線成一定角度的方向擴(kuò)展。

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Thefrettingfatiguebehaviorof35CrMoAundersquareanddiamondpaths

TIANDandan1,HEGuoqiu1,SHENYue1,LIUXiaoshan1,LVShiquan1,LINGuobin2,RENJingdong2,HUJie2

(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,TongjiUniversity,ShanghaiKeyLaboratoryforR&DandApplicationofMetallicFunctionalMaterials,Shanghai201804,China;2.MagneticSuspensionTrafficEngineeringTechnologyResearchCenterofTongjiUniversity,Shanghai201804,China)

Inthispaper,thefrettingfatiguebehaviorof35CrMoAwasstudiedat150MPacontactstressand400MPaequivalentstressamplitudeundersquareanddiamondpaths.Thisincludedcyclestressresponsecharacters,fatiguelife,morphologicalcharacteristicsoffrettingspotandthefailurefracture.Theresultshows:undersquarepath, 35CrMoAreachedthestageofstabilitythroughslowandrapidsoftening,whileunderdiamondpath,itreachedthefinalstageonlythroughrapidsoftening;Thefatiguelifehavelittledifferenceunderthosetwopaths;Undersquarepath,theslipregioniswide,andthestickregionisrelativelynarrow,butoppositeunderdiamondpath;Thecrackextensionperpendiculartothesamplesurfaceundersquarepath,butfordiamondpath,themicrocrackistortuous,andextensiontoacertainanglewithaxis.

35CrMoAsteel;loadingpath;frettingfatigue;frettingspot;fracturemorphology

1001-9731(2016)05-05078-06

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013BAG19B01)

2015-09-10

2016-01-10 通訊作者：何國(guó)球 ，E-mail:gqhe@#edu.cn

田丹丹(1989-)，女，山東菏澤人，在讀碩士，師承何國(guó)球教授，從事金屬材料疲勞與失效研究 。

TG146.2+1

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.05.014