35crmoa微動疲勞特性及其微結(jié)構(gòu)

35crmoa微動疲勞特性及其微結(jié)構(gòu)

1微動疲勞特性微動態(tài)疲勞是一項(xiàng)疲勞破壞過程，由于組件接觸部分的負(fù)荷和相對位移的函數(shù)，導(dǎo)致作品的疲勞和破壞，這在航空航天和航空運(yùn)輸業(yè)中廣泛存在。行業(yè)。高速列車中很多機(jī)件和構(gòu)件都是在變動載荷下工作的,如彈簧、輪軸、轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件等,疲勞破壞是其主要的失效形式,極易造成人身傷害和經(jīng)濟(jì)損失,危害性極大。而高速列車的關(guān)鍵部件中,有許多部件的連接處存在接觸壓力,接觸表面會在循環(huán)載荷作用下發(fā)生微小幅度的相對位移滑動,造成微動疲勞破壞［７－１０］。目前,人們對輪軸鋼材料的微動疲勞特性進(jìn)行了大量的研究工作,而對其微觀結(jié)構(gòu)的研究還相對較少。金屬材料在微動疲勞狀態(tài)下,微動疲勞裂紋往往在材料的磨損表面萌生,并在微動接觸區(qū)復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下,發(fā)生局部塑性變形,在宏觀上體現(xiàn)了微動對疲勞的影響,在微觀上則是位錯在滑移系上的運(yùn)動及相互作用［１１－１２］。因此,對微動疲勞斷裂失效微觀機(jī)理的研究就需分析接觸區(qū)位錯組態(tài)在微動疲勞過程中的演變和不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)對位錯組態(tài)的影響。本文采用平面對平面的接觸方式研究35CrMoA微動疲勞及其微結(jié)構(gòu),通過透射電鏡(TEM)觀察并分析微動疲勞過程中不同循環(huán)周次及不同接觸應(yīng)力時位錯的組態(tài)。2微動疲勞性能試樣材料為35CrMoA,其化學(xué)成分如表1所示。試樣在850℃下固溶處理25min,然后將試樣迅速轉(zhuǎn)移至油中冷卻,再在550℃下回火處理60min,最后將試樣取出在油中冷卻,得到回火索氏體。調(diào)質(zhì)處理后的試樣經(jīng)機(jī)加工至所需尺寸,然后進(jìn)行精密拋光處理,并且確保拋光方向是沿試樣的軸向。在微動疲勞開始之前用丙酮清洗試樣和微動橋表面。試樣在MTS809型電液伺服疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)(圖1)上進(jìn)行微動疲勞實(shí)驗(yàn),材料的力學(xué)性能如表2所示。實(shí)驗(yàn)加載示意圖如圖2所示,兩微動橋?qū)ΨQ地壓于試樣兩邊,構(gòu)成平面對平面接觸。微動橋通過調(diào)節(jié)螺釘與微動框剛性聯(lián)結(jié),施加在微動區(qū)的接觸應(yīng)力通過調(diào)節(jié)螺釘上的壓力P２調(diào)整。在下部循環(huán)載荷P１作用下產(chǎn)生反復(fù)伸長和恢復(fù),使之和剛性支持的微動塊發(fā)生微動。對35CrMoA鋼進(jìn)行單軸拉-拉加載下的微動疲勞實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)循環(huán)載荷選用正弦波加載,軸向循環(huán)載荷的應(yīng)力比為R=0.1,實(shí)驗(yàn)頻率3Hz。在恒定循環(huán)應(yīng)力幅值和不同接觸應(yīng)力值下測試試樣的微動疲勞壽命。對試樣進(jìn)行單軸微動疲勞實(shí)驗(yàn)至失效斷裂,在斷口邊緣的微動磨損斑下采用無應(yīng)力線切割取厚約0.3mm的薄片。取樣部位如圖3所示。將這些薄片首先人工減薄至60μm,然后用電解雙噴的方法做最終減薄,使試樣中心穿孔,在孔的邊緣形成楔形薄區(qū),制成薄膜試樣。位錯結(jié)構(gòu)的觀察在日立H-800透射電子顯微鏡上進(jìn)行,工作電壓200kV,利用雙傾樣品臺來尋找晶帶軸,確定觀察方向。3結(jié)果與分析3.1疲勞壽命測試結(jié)果軸向應(yīng)力幅值恒定為800MPa,控制頻率為3Hz,應(yīng)力比為0.1。改變微動橋的接觸壓應(yīng)力,測試不同接觸應(yīng)力下的微動疲勞壽命,結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明,隨著接觸應(yīng)力的增大,材料的微動疲勞壽命不斷降低,但是在不同接觸壓力區(qū)間內(nèi),疲勞壽命降低的趨勢不同。圖4中空心點(diǎn)表示在接觸應(yīng)力為0即純疲勞實(shí)驗(yàn)中的疲勞壽命測試結(jié)果,其在2.1×10５個循環(huán)周次后仍然沒有發(fā)生斷裂失效。當(dāng)接觸應(yīng)力<300MPa或者>400MPa時,微動疲勞壽命隨接觸應(yīng)力的增加而下降的趨勢很大,而在300~400MPa這段區(qū)間內(nèi),微動疲勞壽命隨接觸應(yīng)力增加而下降的趨勢較緩。這是因?yàn)樵诮佑|應(yīng)力水平較低時,接觸表面的微動磨損會破壞表層材料的完整性,促使表面微裂紋的萌生。在這一區(qū)間內(nèi)隨著接觸應(yīng)力的增加,表面磨損狀態(tài)越嚴(yán)重,疲勞微裂紋萌生所需要的時間越短,因此壽命降低趨勢明顯。當(dāng)接觸應(yīng)力超過300MPa時,微動磨擦磨損進(jìn)一步加劇,但是早期萌生的疲勞微裂紋可能會被微動磨損擦除而消失;另外這一區(qū)間內(nèi)的接觸壓應(yīng)力會使微裂紋產(chǎn)生閉合效應(yīng),使裂紋擴(kuò)展受阻?？梢姶藭r的接觸應(yīng)力能推遲表面微裂紋的萌生和擴(kuò)展。當(dāng)接觸應(yīng)力超過400MPa時,過大的壓力會在微動疲勞試樣表面產(chǎn)生凹陷,微觀上形成一個缺口,并在這里形成應(yīng)力集中,為疲勞微裂紋的萌生和擴(kuò)展創(chuàng)造了條件。這一區(qū)間內(nèi)接觸應(yīng)力越大,應(yīng)力集中越大,微動疲勞壽命降低幅度也越大。3.2組織結(jié)構(gòu)的觀察35CrMoA鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后,其顯微組織為回火索氏體,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。利用TEM觀察熱處理后的實(shí)驗(yàn)材料的微觀組織結(jié)構(gòu),結(jié)果見圖5所示。由圖5可見,位錯是顯微結(jié)構(gòu)中最主要的特征,且以零散的線狀分散,分布無明顯的規(guī)律性和方向性。同時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。由于材料的原始狀態(tài)組織未受到循環(huán)載荷作用,所以沒有觀察到位錯線相互纏結(jié)的現(xiàn)象。3.3位錯密度和交叉滑移在800MPa的軸向應(yīng)力幅值和300MPa的接觸應(yīng)力作用條件下,對試樣進(jìn)行單軸微動疲勞實(shí)驗(yàn),分別對經(jīng)過不同循環(huán)周期后的微動疲勞試樣的微觀位錯結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,并與最終疲勞失效時的位錯結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比,如圖6所示,分析位錯結(jié)構(gòu)在疲勞加載過程中的演變規(guī)律。由圖6可見,不同循環(huán)階段的位錯結(jié)構(gòu)有顯著的差別,在循環(huán)80周次后,疲勞材料較原始材料的微觀結(jié)構(gòu)中位錯的密度明顯增大,并且出現(xiàn)少量的滑移帶,位錯以拉長的或彎曲的位錯線的狀態(tài)存在,此時位錯的可動性很大;當(dāng)材料經(jīng)800周次循環(huán)后,位錯的密度進(jìn)一步增大。位錯線尺寸變短,且雜亂分布,這時的位錯相互纏結(jié)在一起,可動性大大降低了;當(dāng)材料經(jīng)過8000周次的循環(huán)后,位錯密度顯著增大,結(jié)構(gòu)中形成了初步的交叉滑移特征,滑移帶上位錯密度也較高并纏結(jié),滑移帶之間的位錯密度也明顯高于800周次下的位錯密度,并且其中同方向的滑移帶尚未完全形成,而是以大量的具有滑移方向的滑移線的方式存在,在滑移線之間有較多的雜亂分布的位錯線,這些位錯線具有較強(qiáng)的可動性,位錯碎片和細(xì)小的位錯環(huán)的數(shù)量有所增多。在微動疲勞后期,交叉滑移帶在循環(huán)應(yīng)力和摩擦應(yīng)力作用下形成迷宮狀位錯結(jié)構(gòu),進(jìn)一步演化為位錯胞。材料失效時,位錯密度進(jìn)一步增大,滑移帶更加明顯,交叉滑移更加清晰,滑移帶寬度略有降低,但滑移帶上位錯密度增高,滑移帶之間存在較多的雜亂分布的位錯,位錯的可動性有所降低,位錯碎片和細(xì)小的位錯環(huán)的數(shù)量有所增多,胞狀位錯的特征也更加明顯。3.4微動接觸區(qū)表層材料的位錯特征在純疲勞過程中,沒有接觸壓應(yīng)力和摩擦剪切應(yīng)力的作用,隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加,循環(huán)滑移帶不斷加寬。當(dāng)加寬到一定程度時,由于位錯的塞積和交割作用,便在滑移帶處形成微裂紋。但在微動疲勞過程中,卻發(fā)現(xiàn)在循環(huán)過程產(chǎn)生了多系滑移,形成胞狀的位錯結(jié)構(gòu)。圖7顯示在不同的接觸應(yīng)力下,微動疲勞后期都形成了位錯胞結(jié)構(gòu),但是這些胞狀位錯的形態(tài)特征也有顯著區(qū)別。接觸壓應(yīng)力較低時,胞狀結(jié)構(gòu)越明顯,尺寸越粗大;接觸壓應(yīng)力越高,胞狀尺寸越細(xì)小。由于接觸應(yīng)力直接影響了微動疲勞壽命的長短,當(dāng)接觸應(yīng)力較低時,摩擦剪切應(yīng)力也較低,微動接觸區(qū)的相對位移量大,剪切應(yīng)變較大,微動接觸區(qū)表層材料的晶格切變量也較大,并且微動疲勞壽命較長,因此位錯的演變程度很明顯,最終形成的位錯胞形態(tài)明顯,尺寸較粗大;在較高的接觸應(yīng)力作用下,雖然摩擦力較大,但它對于微動摩擦接觸面的相對滑移是一種阻力,阻礙了摩擦表面的相對滑移,使相對位移量減小,因此剪切應(yīng)變較小,表層材料的晶格切變量也較小。并且微動疲勞壽命較短,位錯的演變程度不高,大量的位錯在較高的接觸壓應(yīng)力的作用下相互纏結(jié)得更加緊密,運(yùn)動受阻,滑移距離不大,因此形成了尺寸較細(xì)小的位錯胞。從圖7(b)還可以觀察到在位錯胞周圍塞積了大量的位錯,這些位錯位于{110}滑移面上,這些塞積的位錯周圍產(chǎn)生很高的第三類內(nèi)應(yīng)力集中。3.5層錯亞結(jié)構(gòu)的形成過程在對微動疲勞表層材料的微觀結(jié)構(gòu)分析中,除了觀察到高密度的位錯外,還發(fā)現(xiàn)有層錯亞結(jié)構(gòu),如圖8所示。圖中的層錯條紋非常清晰,層錯間距僅為幾個納米,極為細(xì)小。當(dāng)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時,是通過晶格改組完成的,在鋼的奧氏體中固溶的碳被保留到馬氏體晶格中,形成了碳在α-Fe中的過飽和固溶體。碳分布在α-Fe體心立方晶格的c軸上,引起c軸伸長,a軸縮短,使α-Fe體心立方晶格發(fā)生正方畸變。在此轉(zhuǎn)變過程中,很難形成層錯亞結(jié)構(gòu)。因此這里出現(xiàn)的層錯亞結(jié)構(gòu)可能與微動摩擦磨損有關(guān),但這種聯(lián)系沒有直接的證據(jù)進(jìn)行確認(rèn)。微動接觸區(qū)存在高度的應(yīng)力集中,在循環(huán)應(yīng)力的作用下產(chǎn)生的循環(huán)滑移也是極不均勻,而且在接觸區(qū)的表層材料容易形成駐留滑移帶,如圖9所示。這種滑移帶具有持久駐留性,一般只在表面形成,深度較淺。隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加,循環(huán)滑移帶會不斷地增寬。循環(huán)滑移帶的加寬過程可以用位錯較滑移來說明,在循環(huán)初期,金屬的一些滑移面因位錯塞積而使位錯源停止增殖和滑移,出現(xiàn)較短的細(xì)滑移線,但是在循環(huán)應(yīng)力的繼續(xù)作用下,滑移線端頭的螺形位錯會改變滑移方向而發(fā)生交滑移,于是在原滑移面上的位錯源重新被激活,繼續(xù)增殖滑動,使滑移線不斷加長。許多滑移線發(fā)展,就會構(gòu)成滑移帶向兩側(cè)不斷加寬。駐留滑移帶在表面加寬的過程中,還會出現(xiàn)擠出脊和侵入溝,于是此處就產(chǎn)生應(yīng)力集中或空洞。一旦這些侵入溝和空洞與微動摩擦表面損傷的剝離坑重合,經(jīng)過一定循環(huán)后就會產(chǎn)生微裂紋。4微動疲勞充放電后的位錯結(jié)構(gòu)在循環(huán)80周次(1)35CrMoA在軸向應(yīng)力幅值恒定為800MPa時,隨著接觸應(yīng)力的增大,材料的微動疲勞壽命不斷降低,但是在不同接觸壓力區(qū)間內(nèi),疲勞壽命降低的趨勢不同。當(dāng)接觸應(yīng)力<300MPa或者>400MPa時,微動疲勞壽命隨接觸應(yīng)力的增加而下降的趨勢很大,而在300~400MPa這段區(qū)間內(nèi),微動疲勞壽命隨接觸應(yīng)力增加而下降的趨勢較緩。(2)在軸向應(yīng)力幅值和接觸應(yīng)力幅值分別為800和300MPa時,當(dāng)循環(huán)80周次后,即微動疲勞初期,疲勞材料較原始材料的微觀結(jié)構(gòu)中位錯的密度明顯增大,并且出現(xiàn)少量的滑移帶。隨著微動疲勞周次的增加,其位錯的密度進(jìn)一步增大,互纏結(jié)在一起,可動性大大降低了,并且結(jié)構(gòu)中形成了初步的交叉滑移特征,滑移帶上位錯密度也較高并纏結(jié)。當(dāng)循環(huán)8000周次后,即微動疲勞后期,交叉滑移帶在循環(huán)應(yīng)力和摩擦應(yīng)力作用下形成迷宮狀位錯結(jié)構(gòu),進(jìn)一步演化為位錯胞。(3)當(dāng)軸向應(yīng)力幅值為800MPa,循環(huán)80