30CrNiMo8合金鋼的彎曲微動疲勞特性

劉大偉，彭金方，田 來，宋 川，劉建華，朱旻昊

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室摩擦學研究所，成都 610031）

0 引 言

微動疲勞是指構件在接觸載荷作用下，由于承受交變疲勞應力而引起接觸表面的位移幅值極小的相對運動，并產生微動損傷［1－5］，且促使疲勞裂紋提前萌生和擴展，從而導致構件的疲勞壽命或強度明顯降低的現象［6－7］。微動疲勞廣泛存在于機械、鐵路、核電、航天航空、橋梁、船舶等各工業領域的緊固配合構件中［8－9］，已成為很多關鍵零部件失效的主要原因之一。研究表明，對于某些高壽命的構件，由于微動疲勞的影響，其壽命會下降約30%［10］。隨著全球經濟的快速發展，對關鍵零部件提出了高精度、長壽命和高可靠性的要求［11－12］。30CrNiMo8合金鋼是一種淬透性好、綜合力學性能高和低溫沖壓性能好的合金結構鋼，廣泛用于機車交流牽引電機轉軸上［13］。為了研究微動疲勞引起壽命降低的機理，作者通過彎曲微動疲勞試驗和微觀分析探討了30CrNiMo8合金鋼的彎曲微動疲勞特性及相關規律，為其工程應用提供理論支持。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為30CrNiMo8合金鋼（屈服強度σ0.2為969.6MPa，抗拉強度σb為1 095.8MPa），微動墊材料為17CrNiMo6鋼（屈服強度σ0.2為790MPa，抗拉強度σb為1 080MPa），它們的化學成分如表1所示。將它們分別用于模擬機車電機軸和小齒輪軸這一對過盈配合接觸副。將30CrNiMo8鋼加工成如圖1所示的試樣，試驗中將其左端固定，并在A點與微動墊接觸，微動墊為φ16mm×10mm的圓柱，在B點施加彎曲載荷，在法向載荷和彎曲疲勞載荷的共同作用下A點位置產生微動損傷。

在100kN 島津 EHF-UM100K2-040-0A 型電液伺服疲勞試驗機上進行彎曲微動疲勞試驗，采用點接觸方式，自主設計了高精度彎曲微動疲勞試驗加載及夾持裝置，如圖2所示，試驗頻率為20Hz，施加應力比為0.1的正弦彎曲載荷。微動墊上的法向載荷Fn取1 000N，最大循環次數N設定為1×106。微動墊和試樣為圓柱/圓柱正交接觸，形成點接觸模式。彎曲載荷可通過式（1）換算成對應的最大彎曲應力，如表2所示。

表1 30CrNiMo8和17CrNiMo6合金鋼的名義化學成分（質量分數）Tab.1 Nominal chemical composition of 30CrNiMo8and 17CrNiMo6alloy steels（mass） %

圖1 彎曲微動疲勞試樣的尺寸Fig.1 Size of bending fretting fatigue specimen

式中：σa，max為最大彎曲應力；F為彎曲載荷；L為彎曲載荷作用點和微動墊之間的距離，即圖1中A、B點間的距離；d為試樣的截面直徑。

圖2 彎曲微動疲勞加載及夾具示意Fig.2 Sketch map of bending fretting fatigue loading and rig

表2 彎曲載荷與彎曲應力對應表Tab.2 Correspondence table between bending load and bending stress

采用OLYMPUS-BX60M型光學顯微鏡和JEOL-6610LV型掃描電鏡觀察微動損傷形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 彎曲微動疲勞的S-N 曲線

通過一定數量的彎曲微動疲勞試驗可獲得如圖3所示的疲勞壽命（S-N）曲線。可以看出，隨著彎曲載荷的增加，試樣的疲勞壽命呈現先減小后增大然后再減小的特征，在彎曲應力為746MPa時，疲勞壽命存在一個凹區，即低壽命區，這與其它材料的試驗結果一致［5］。結合微動損傷區的形貌可知，彎曲微動疲勞的微動運行區可分為部分滑移區（PSR）、混合區（MR）和完全滑移區（SR）。在部分滑移區，施加的彎曲載荷小，引起的微動位移較小，損傷相對較輕微，微動損傷區呈環狀，存在因粘著而幾乎無損傷的區域，如圖4（a）中的白亮區域所示，試樣的壽命相對較長。當彎曲應力為671MPa（彎曲載荷6.75kN）時，循環106周次后試樣未斷裂；隨著疲勞應力的增加，疲勞壽命明顯降低；彎曲應力進一步增大至721MPa（彎曲載荷為7.25kN）時，微動運行進入混合區，在此區域，接觸區的磨損加劇，如圖4（b）所示，微動進入易萌生裂紋的區域（后文將對此作詳細分析），因此試樣的疲勞壽命最小；隨著彎曲應力繼續增大，達到796MPa（彎曲載荷為8.0kN）以上時，微動接觸區的相對位移增大，表面磨損加劇且損傷區域也進一步擴大，如圖4（c）所示，但可能由于磨損有利于去除早期萌生的裂紋，因此微動疲勞壽命會在滑移區有增加的趨勢。當施加更大的彎曲載荷（接近材料的屈服強度）時，試樣會在較低的循環次數下斷裂，這時與普通疲勞的差距已很小。在微動疲勞影響顯著的階段內S-N 曲線呈現“C”曲線特征。總之，當施加的彎曲載荷使微動運行于混合區時，材料最容易斷裂，微動疲勞壽命最短。

圖3 試驗鋼彎曲微動疲勞的S-N曲線Fig.3 S-Ncurve of bending fretting fatigue for the tested steel

2.2 微動損傷

在三個運行區域中，各取一個代表性的彎曲應力，分析試樣在該彎曲應力下循環50 000周次的損傷情況，如圖4所示。可見，接觸區磨損形貌為橢圓狀。由于試樣一端固定，另一端承受彎曲疲勞載荷作用，所以磨損形貌呈明顯的非對稱特征，其中固定端在微動運行過程中的位移幅值小，磨損相對輕微，靠近加載端的微動位移幅值相對較大，磨損較為嚴重。

當彎曲載荷較小時，即微動運行于部分滑移區時，接觸區的磨損輕微，中間分散有少量磨屑，固定端接觸邊緣可見磨屑堆積，加載端可見犁溝痕跡，兩邊有輕微的氧化，顏色呈淺棕紅色，符合微動損傷的基本特征［1］。部分滑移區接觸邊緣的損傷帶較窄，如圖5（a）所示，有磨屑堆積現象，說明此時微動的相對位移較小，磨屑難以排出；在接觸中心區的磨損嚴重，表面呈現一定的塑性變形痕跡，材料呈塊狀剝落，符合疲勞磨損的剝層機制特征，如圖5（b）所示。因此，在彎曲微動疲勞的部分滑移區，雖然損傷相對較輕，但磨損機制仍表現為磨粒磨損、剝層和氧化磨損。

圖4 不同彎曲應力下循環50 000周次后試驗鋼的磨損形貌Fig.4 Wear morphology of the tested steel at different bending stresses and cycles of 50 000times

彎曲載荷增大后，磨損加劇，并且在加載端出現了更為明顯的劃擦痕跡，如圖4（b）所示，磨損區擴大且損傷加重，有明顯的磨粒磨損和氧化磨損。當載荷進入完全滑移區時，彎曲載荷更大，由于接觸區加載端的位移幅值較大，接觸區幾乎完全磨損。由此可以看出，當彎曲載荷增大時，整個接觸區的磨損程度加劇。

在同一彎曲載荷下，隨著循環次數的增加，磨損區域沒有明顯變化，只是磨損現象變得更為嚴重。在這個過程中伴有明顯的塑性流動，磨粒磨損、疲勞磨損和氧化磨損為其主要的表面損傷機制。

2.3 微動疲勞裂紋

經過大量的試驗和微觀觀察發現，微動疲勞裂紋均出現在接觸區靠近加載端一側，如圖6所示。從圖6（a）可以看到，在加載端出現了明顯的主裂紋（已擴展導致斷裂）和次裂紋。由于固定端的微動位移相對較小，所以磨損輕微，但有很明顯的磨屑堆積和犁溝痕跡，沒有觀察到裂紋，如圖6（b）所示。在接觸區的中心有嚴重的磨損和片狀磨屑層剝落，這是由于產生的磨屑不能及時排除，在此處反復碾壓形成磨屑層并在承載過程中二次剝落形成的，如圖6（c）所示。從接觸區可以看到貫穿性的大裂紋和一條細裂紋，分別如圖6（d）和圖6（c）所示，此處產生微動疲勞裂紋，此裂紋萌生區域的接觸應力和彎曲應力均較大，微動位移也較大，同時還可觀察到大面積的材料剝落區。因此，對于微動運動的混合區，其損傷機制是微動疲勞裂紋、磨粒磨損、氧化磨損和剝層。

圖5 部分滑移區磨損表面的SEM形貌（F＝6.25kN，σa，max＝622MPa，N＝106 周次）Fig.5 SEMmorphology of worn surface in the partial slip regime：（a）edge of the contact area and（b）central area of the wear scar

圖6 混合區磨損表面的SEM形貌（F＝7.5kN，σa，max＝746MPa）Fig.6 SEMmorphology of worn surface in the mixed regime：（a）whole view of contact area；（b）fixed end of contact area；（c）center of contact area and（d）loading end of contact area

為了進一步分析微動疲勞裂紋，沿著圖7（a）中的虛線切割，將存在微觀裂紋的試樣進行剖面分析。由圖7（b）可以看出，裂紋的萌生和擴展大致可分為三個階段。第一個階段，裂紋以一定角度（約70°）開始萌生和擴展，當擴展到一定深度后逐漸轉向垂直方向，進入垂直于表面的第三階段后，擴展行為完全由彎曲疲勞載荷控制，直至斷裂。從力學上分析，之所以會形成這樣的擴展過程，是因為第一階段和第三階段主要由不同性質的應力控制。彎曲微動疲勞為多軸疲勞，受多個應力共同影響。在第一階段以接觸應力為主，彎曲應力為輔，在兩者的共同作用下，裂紋以一定的傾斜角度開始擴展，隨著裂紋擴展深度的增加，接觸應力的作用降低，當裂紋擴展深度逐漸超過接觸應力的影響深度時，即進入第三階段，彎曲應力控制著裂紋的擴展方向，所以隨后的裂紋垂直于表面擴展。中間階段裂紋的擴展受接觸應力和彎曲應力的共同作用。另外，在主裂紋旁邊還有一條次裂紋，其全貌如圖7（d）所示，其萌生角度大約與接觸表面呈45°，還處于擴展的第一階段。通過兩條裂紋擴展初期的對比可以發現，接觸應力在裂紋擴展中起著非常重要的作用，裂紋的萌生和擴展是局部接觸疲勞應力和整體彎曲疲勞應力共同作用的結果，在不同的階段，兩個應力的影響程度不同。

圖7 微動疲勞裂紋的剖面形貌（F＝7.5kN，σa，max＝746MPa）Fig.7 Sectional morphology of fretting fatigue cracks：（a）crack location；（b）sectional morphology of the main crack；（c）top of the main crack and（d）sectional morphology of the second crack

3 結 論

（1）30CrNiMo8合金鋼彎曲微動疲勞S-N 曲線呈“C”型，彎曲微動疲勞的微動運行區可分為部分滑移區、混合區和滑移區；當微動運行于混合區時，材料的彎曲微動疲勞壽命最短。

（2）彎曲微動疲勞損傷區的磨損機制主要為磨粒磨損、氧化磨損和剝層，在部分滑移區時損傷最輕微，在完全滑移區則表現為較嚴重的磨損。

（3）主裂紋的萌生與擴展可分為三個階段，第一階段裂紋沿與表面呈70°的方向萌生和擴展，此時主要受接觸應力的控制；第二階段，裂紋發生轉向，此時裂紋的擴展受接觸應力和彎曲應力的共同作用；第三階段，裂紋轉至垂直于表面的方向，此時裂紋的擴展完全由彎曲應力控制。

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