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瀏覽✘↟₪·:- 釋出日期✘↟₪·:2021-08-31 15:11:15【

盛偉,劉天琦,馬少俊,陳天運

(中國航發北京航空材料研究院,北京100095)

摘 要:對300M 鋼在空氣和質量分數3.5%NaCl水溶液中分別進行了疲勞裂紋擴充套件速率試驗,得到了其疲勞裂紋擴充套件速率G應力強度因子範圍曲線,並分別利用Paris公式和Walker公式對曲線進行了擬合;分析了應力比☁││、腐蝕環境☁││、頻率對疲勞裂紋擴充套件速率的影響.結果表明:300M 鋼的疲勞裂紋擴充套件速率隨應力比的增加而增大;在相同應力比下,300M 鋼在NaCl水溶液中的疲勞裂紋擴充套件速率在裂紋擴充套件前期比在空氣中的快,在擴充套件後期則趨於一致;較低試驗頻率下300M 鋼在裂紋擴充套件前期的疲勞裂紋擴充套件速率比在較高頻率下的快.


關鍵詞:300M 鋼;疲勞裂紋擴充套件;應力比;腐蝕疲勞

中圖分類號:TG115.5 文獻標誌碼:A 文章編號: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60年代由美國研發的一種低合金超高強度鋼,因具有良好的強度☁││、塑性和抗疲勞效能而成為當今飛機起落架的首選材料[1].隨著飛機結構損傷容限設計理念的發展,斷裂韌性☁││、疲勞裂紋擴充套件效能等也成為了評價飛機用材料效能的重要指標.文獻[2G6]研究了30CrMnSiNi2A☁││、GCG4☁││、AerMet100等超高強度鋼的疲勞裂紋擴充套件行為,討論了應力比☁││、載入頻率☁││、試驗環境☁││、材料組織等因素對這些超高強度鋼疲勞裂紋擴充套件效能的影響;李瑞鴻等[7]研究了噴丸強化對300M 鋼疲勞效能的影響;張國棟等[8]對300M 鋼焊接接頭的疲勞斷裂機制進行了研究.但有關300M 鋼疲勞裂紋擴充套件行為的研究尚未見報道.

300M 鋼的疲勞裂紋擴充套件速率反映了該鋼在標準條件下的抗疲勞裂紋擴充套件能力,是確定零件服役壽命的重要指標. 因此,作者在不同條件下對300M 鋼進行了疲勞裂紋擴充套件速率試驗,分析了應力比☁││、試驗環境☁││、頻率等因素對中速(裂紋擴充套件速率da/dN 在10-5~10-3 mm??周次-1)擴充套件區疲勞裂

紋擴充套件速率的影響,並用Paris方程和Walker方程對中速擴充套件區曲線進行了擬合,為該鋼的應用與評價提供資料參考.

1 試樣製備與試驗方法

試驗用材料為300M 鋼棒,由撫順特鋼生產,規格為?400mm,退火態.從300M 鋼棒上切取材料,製成拉伸試樣☁││、斷裂韌度試樣以及緊湊拉伸疲勞裂紋擴充套件試樣.拉伸試樣的尺寸為?10mm×110mm,標距為50mm;斷裂韌度試樣的尺寸為15 mm×30mm×140mm;緊湊拉伸疲勞裂紋擴充套件試樣的尺寸見圖1,厚度為20mm,取樣方向為縱向.

圖1 緊湊拉伸疲勞裂紋擴充套件試樣的尺寸


對試樣進行870℃×1h淬火+300℃×2h兩次回火熱處理後,按GB/T228.1-2010 和GB/T4161-2007分別進行拉伸和斷裂韌度效能測試,測得其屈服強度Rp0.2和抗拉強度Rm 分別為1683,2005MPa,斷後伸長率A 為10.5%,斷面收縮率Z 為40.1%,斷裂韌度KIC為77MPa??m1/2.根據GB/T6398-2000,在MTS810型疲勞試驗機上進行疲勞裂紋擴充套件速率試驗,最大載荷16kN,載入波形為正弦波,試驗環境為空氣環境和質量分數為3.5%NaCl水溶液.在空氣環境中試驗時,應力比R 分別為0.1,0.3,試驗頻率f 為10Hz;在NaCl水溶

液中試驗時,R 分別為0.1,0.3,f 分別為5,10Hz.試驗完成後,利用Camscan3100型掃描電鏡(SEM)觀

察斷口形貌.

2 試驗結果與討論

2.1 疲勞裂紋擴充套件行為

2.1.1 不同環境和應力比下的da/dNGΔK 曲線

材料的疲勞裂紋擴充套件速率曲線可分成3個階段,即近門檻區☁││、中速擴充套件區和快速擴充套件區.其中,中速擴充套件區受材料內在因素(顯微組織☁││、力學效能等)的影響較小,而受應力比☁││、載入頻率☁││、環境等的影響較顯著[9].

由圖2可知:在對數座標系中,300M 鋼的疲勞裂紋擴充套件速率da/dN 隨應力強度因子範圍ΔK 的增加而單調遞增;在相同的應力強度因子範圍,應力比為0.3下試樣的疲勞裂紋擴充套件速率高於應力比為0.1下試樣的;在裂紋擴充套件前期,試樣在NaCl水溶液中的疲勞裂紋擴充套件速率明顯高於在空氣中的;當ΔK ≥20MPa??m1/2時,兩種環境下的疲勞裂紋擴充套件速率相當.

在不同條件下300M

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模型是應用廣闊的描述材料疲勞裂紋擴充套件規律的模型之一.將Paris公式取對數,得到其對數表達式為g(da/dN )=lgC +mlg(ΔK ) (1)式中:C,m 為材料常數.用式(1)對圖2資料進行線性擬合,得到不同條件下的擬合引數,如表1所示.表中,r2 為表示線性程度的相關係數.由表1可以看出:兩種環境下的r2 均高於0.95,可見300M 鋼的疲勞裂紋擴充套件速

率與Paris公式符合良好;空氣環境中的r2 比NaCl水溶液中的高,說明NaCl水溶液中的疲勞裂紋擴充套件速率分散性相對較大.

表1 300M 鋼試樣疲勞裂紋擴充套件速率Paris公式擬合引數

不同環境疲勞擴充套件速率擬合公式


裂紋閉合效應常被用來解釋應力比對裂紋擴充套件速率的影響.ELBER[11]認為,在疲勞裂紋尖端的後部存在一個塑性變形區,使裂紋張開位移減小,實際控制裂紋擴充套件的是應力強度因子的有效值ΔKeff.應力比越大,裂紋閉合效應越小,因此試樣具有更高的疲勞裂紋擴充套件速率.

研究[12]表明:在腐蝕環境中,金屬和環境會發生化學反應生成有害物質,這些物質被吸附並擴散進入裂紋尖端前沿區,加速疲勞裂紋擴充套件;當試驗進行一段時間後,裂紋張開位移增大,疲勞裂紋擴充套件速率主要受力學因素控制,腐蝕環境對疲勞裂紋擴充套件的影響減弱.

2.1.2 腐蝕環境中不同頻率下的da/dNGΔK 曲線由圖3可見:在較低試驗頻率(f=5Hz)下,試樣在裂紋擴充套件前期的疲勞裂紋擴充套件速率比在較高試驗頻率(f=10Hz)下的快;當疲勞裂紋擴充套件速率達到10-4 mm??周次-1之後,兩種頻率下的疲勞裂紋擴充套件速率趨於一致.頻率對疲勞裂紋擴充套件速率的影響十分複雜.一般而言:在惰性氣體環境中,頻率對疲勞裂紋擴充套件速率的影響不大;在腐蝕環境中,降低頻率可以提高疲勞裂紋擴充套件速率.載入頻率越低,裂紋尖端的材料就有充分的時間與腐蝕環境發生電化學反應,加速裂紋尖端處材料的陽極溶解,從而加快腐蝕速率.

試驗頻率和腐蝕環境的共同作用導致了試樣在裂紋擴充套件前期裂紋擴充套件速率的差異.

圖3 不同試驗頻率下300M


2.2 斷口形貌

試樣疲勞斷口主要由疲勞裂紋擴充套件區和瞬斷區兩部分組成.由圖4可以看出:疲勞裂紋擴充套件區光滑,存在疲勞條帶,這是疲勞裂紋穩定擴充套件的典型組織特徵;瞬斷區以韌窩為主,說明300M 鋼具有較好的塑性.

300M 鋼試樣疲勞斷口不同區域的SEM 形貌


3 結 論

(1)300M 鋼的疲勞裂紋擴充套件速率隨應力強度因子範圍的增加而單調遞增;在相同應力強度因子範圍下,應力比為0.3下試樣的疲勞裂紋擴充套件速率高於應力比為0.1下的;在NaCl水溶液中300M 鋼和E(3TO+2LO)+B1峰強度均會隨著距裂紋尖端距離的增加而減弱.

(文章來源✘↟₪·:材料與測試網-機械工程材料)

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