方形和菱形路徑下35CrMoA拉扭復合微動疲勞行為

田丹丹，何國球，沈　月，劉曉山，呂世泉 ，林國斌，任敬東，胡　杰

(1. 同濟大學 材料科學與工程學院， 上海市金屬功能材料開發應用重點實驗室， 上海 201804；2. 同濟大學 磁浮交通工程技術研究中心，上海 201804)

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方形和菱形路徑下35CrMoA拉扭復合微動疲勞行為

田丹丹1，何國球1，沈月1，劉曉山1，呂世泉1，林國斌2，任敬東2，胡杰2

(1. 同濟大學 材料科學與工程學院， 上海市金屬功能材料開發應用重點實驗室， 上海 201804；2. 同濟大學 磁浮交通工程技術研究中心，上海 201804)

研究了35CrMoA合金鋼在接觸應力為150MPa，等效應力幅值為400MPa時方形和菱形路徑下的微動疲勞特性，包括循環應力響應特征、疲勞壽命、微動斑及微動疲勞斷口的形貌特征。結果表明，方形路徑下，35CrMoA鋼經緩慢循環軟化、快速軟化到達最后的穩定階段，而菱形加載下，材料快速軟化之后直接到達穩定階段；兩種路徑下的疲勞壽命差別不大；方形加載的滑移區較寬，粘著區較窄，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展。

35CrMoA合金鋼；加載路徑；微動疲勞；微動斑；斷口形貌

0　引　言

隨著科技的發展，服役工況條件愈來愈苛刻，對零部件精度、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疲勞引起，縮短輪軸壽命，甚至帶來列車脫軌等嚴重事故[1-2]。從微動現象被發現至今，研究人員已進行大量研究，并總結出一些微動疲勞損傷機理。眾所周知，加載路徑對材料疲勞特性影響很大，然而國內外對35CrMoA合金鋼的多軸微動疲勞行為研究較少，材料在方形和菱形路徑加載下微動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疲勞特性，通過觀察微動斑及斷口特征，研究微動損傷及微動疲勞斷裂機理，從而明確加載路徑對35CrMoA微動疲勞的影響。

1　實驗方法

實驗用材料為35CrMoA合金鋼，其成分列于表1。

表1　35CrMoA鋼的化學成分(%，質量分數)

本研究用35CrMoA鋼為直徑16mm的棒材，具體調質工藝為：將35CrMoA放入預熱電阻爐，850 ℃下固溶處理25min，油冷，之后550 ℃下回火60min，油冷。把調質后的材料制成標準拉伸、微動疲勞試樣及配套微動橋，尺寸如圖1所示。微動橋材料與熱處理工藝與試樣相同。考慮到疲勞裂紋萌生對試樣表面狀態敏感，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　微動疲勞試樣及微動橋尺寸

Fig1Sizeoffrettingfatiguespecimenandfrettingbridge

本研究用到的主要設備為MTS809電液伺服疲勞試驗機，并安裝微動裝置，實驗時，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；微動橋通過調節螺栓和微動框剛性連接。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分別是軸向應力和剪切應力。

對于35CrMoA合金鋼，在接觸應力為150MPa，等效應力幅值為400MPa時分別在方形、菱形路徑下進行拉扭復和微動疲勞試驗，用Leitz307光學顯微鏡觀察試樣微觀組織，用FEIQuanta200F場發射SEM對微動斑和疲勞斷口進行分析，研究微動損傷及疲勞斷裂的特點和機理。

2　結果和討論

2.1微觀組織

圖3為35CrMoA合金鋼的原始組織形貌?？梢钥闯霾牧辖浾{質后，得到的組織為細小回火索氏體，保留了原淬火馬氏體的方位，碳化物等析出相非常細小且不明顯，如圖3(a)所示。利用日立H-800TEM觀察的組織結構如圖3(b)，可見位錯是最主要的特征，且以零散的線狀分散，無明顯的規律性和方向性，同時組織還保留了部分細小的馬氏體板條，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疲勞試驗機，進行力學性能測試，采用位移控制，加載速度為2mm/min。得到圖4(a)的應力-應變曲線，35CrMoA力學性能如表2。從試件夾持部分橫向截取小塊試樣，用HVS-50A型號維氏硬度計，沿直徑方向均布測試5點硬度值取平均值。試驗時施加的壓力為98N，保壓時間為15s，得到的硬度值如圖4(b)。

表2　35CrMoA常規力學性能

圖435CrMoA力學性能

Fig4Mechanicalpropertiesof35CrMoA

2.3循環應力響應特征

圖5為35CrMoA在接觸應力150MPa，等效應力幅值400MPa時不同路徑下的等效應變-循環周次曲線，可見材料的等效應變隨循環周次的增加表現出不同程度的增加，說明35CrMoA在不同路徑下表現出不同程度的循環軟化[8]。

圖5不同加載路徑下等效應變隨微動疲勞周期的演變關系

Fig5Equivalentstressamplitudevsnumberofcyclescurvesof35CrMoAunderdifferentloadingpaths

方形加載下：前100周，35CrMoA為緩慢軟化；100～250周次，進入快速軟化階段；300周次后到達穩定。菱形加載下：前100周次，等效應變增加顯著，隨后保持穩定。因為在拉扭過程中，應力應變增量矢量的變化規律不同，方形路徑下，循環載荷在剪應變方向到達最大，之后經90°轉折角，而菱形路徑下，循環載荷在剪應變與軸向應變對角方向到達最大，后經45°轉折角變形，兩者之間總有45°的相位差，就導致了如圖所示的應力響應特征。

2.4疲勞壽命

表3給出了35CrMoA鋼在接觸應力150MPa，等效應力幅值400MPa時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。這是因為兩種路徑下都同時存在著軸向應變和扭向應變，在一個循環過程中其大小和方向發生的變化基本相同，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疲勞壽命

Table3Fatiguelifeof35CrMoAundersquareanddiamondpaths

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

2.5微動斑形貌特征

2.5.1微動區域特征分析

圖6，7為35CrMoA在方形和菱形路徑下的微動斑，可分為粘著區和滑移區。方形路徑下，滑移區較寬，粘著區相對較窄；菱形路徑下則相反。由于在方形路徑下，試樣與微動橋之間貼合更緊密，產生的微動摩擦也大，阻礙微動摩擦表面的相對滑移，使得微動摩擦面的相對滑移幅度減小，導致滑移區較窄。

并且方形路徑下的粘著區，具有輕微滑擦、碾壓、抹平的痕跡，如圖6(c)，這是試樣受到微動橋的接觸應力，表層產生塑性變形，粘著區內微動體間的靜摩擦力大于外載的交變剪切力，二體相對位移幾乎為零，故粘著區磨損較輕。而在滑移區具有明顯的滑動磨損、溝槽的痕跡，如圖6(b)所示。圖7(c)是菱形路徑下的粘著區顯微形貌，可以看出粘著區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。而滑移區上堆積了大量的磨屑，這些磨屑可能是摩擦磨損產生的，也可能是從粘著區排出來的[9-10]，如圖7(b)。

2.5.2微裂紋特征分析

微動裂紋一般萌生于粘著區與滑移區交界處、微動橋壓腳部位，這些部位應力集中較大，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且靠近粘著區的部位，主裂紋面與軸向大致成45°，此部位應力集中嚴重，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內還存在與軸向基本平行的微動裂紋，但沒有引起試樣的最終斷裂，因為：(1)裂紋在與軸向平行的面上擴展阻力比與軸向成45°的面上大；(2)扭轉方向微動磨損程度較軸向嚴重的多，微裂紋可能在微動過程中被擦除。所以最終導致失效的裂紋主要是那些與軸向成45°的裂紋[12-13]。

圖6　方形路徑下的微動斑形貌

圖7　菱形路徑下的微動斑形貌

圖8　不同路徑下的微動斑裂紋

Fig8Freetingspotcrackunderdifferentloadingpaths

2.6微動疲勞斷口形貌特征

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、擴展區和瞬斷區。整個斷口并不是一個與試件軸向垂直的平面，這是由于存在拉扭復合作用，容易出現鋸齒或星狀疲勞斷口，形成形態各異的臺階。裂紋萌生處發生明顯氧化使其顏色較暗，是疲勞裂紋最先形成的部位。這是微動疲勞過程中，微動區域連續摩擦使試樣表面溫度升高，同時從材料表面剝落的磨屑細小，化學活性高，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) 裂紋源區微裂紋

圖10是在等效應力幅值為400MPa，接觸應力為150MPa時方形和菱形路徑下的裂紋源區微裂紋，可以看出，方形加載下的微動疲勞有多個裂紋源，裂紋在微動斑表面形成，垂直于試樣表面擴展。因為試樣與摩擦副反復摩擦，使近表層材料產生嚴重塑性變形，導致表面塑性枯竭，在循環應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，擴展的結果，使各裂紋源之間不斷合并而分割出許多臺階。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有關[15]。

圖10　微動疲勞裂紋源區的微裂紋

Fig10MicrocracksmorphologyoffreetingfatigueInitiationregion

(2) 裂紋擴展區的微裂紋

在微動疲勞裂紋的擴展區，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疲勞擴展區的微裂紋。

圖11　微動疲勞裂紋擴展區的微裂紋

Fig11Microcracksmorphologyoffreetingfatiguepropagationregion

從圖11(a)中看到，方形路徑下，微裂紋存在于晶界處，且沿晶界擴展。這是由于在扭轉載荷作用下，橫截面上產生的剪切應力不同，距離軸心的距離愈大，剪切應力也愈大，這種應力差導致晶界開裂，產生垂直于主裂紋而平行于軸向的微裂紋。而菱形路徑下，試樣受到拉扭應力的復合作用，使得微裂紋的擴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展，如圖11(b)。從實驗結果觀測，裂紋擴展的角度大小與軸向拉伸應力和切向剪切應力大小有關[16-17]。

(3) 裂紋瞬斷區的微裂紋

瞬斷區是裂紋最后失穩形成的斷口區域，裂紋經過疲勞源及擴展區后，尺寸達到臨界裂紋尺寸，此時尖端的應力場強度達到材料的臨界斷裂韌度[18]。隨著微動疲勞繼續，裂紋快速擴展直至失效。盡管35CrMoA鋼為韌性材料，但在多軸微動疲勞下，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中的放射線狀斷面，可以發現放射線狀條紋，其方向隨裂紋擴展而變得彎曲，而放射線就是裂紋擴展包絡線的重合部位，所以放射線方向會隨裂紋擴展而變化。而菱形路徑下，摩擦磨損破壞了材料的完整性，產生局部應力集中，在微動疲勞中后期斷口區萌生大量的微裂紋，如圖12(b)所示。

圖12　微動疲勞裂紋瞬斷區的微裂紋

Fig12Microcracksmorphologyoffreetingfatiguedamageregion

3　結　論

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

(2)方形和菱形路徑下35CrMoA的疲勞壽命無明顯差異。

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

(4)35CrMoA微動疲勞斷口形貌特征，方形路徑下裂紋垂直于試樣表面擴展，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”國家科技支撐計劃資助項目(2013BAG19B01)

2015-09-10

2016-01-10 通訊作者：何國球 ，E-mail:gqhe@tongji.edu.cn

田丹丹(1989-)，女，山東菏澤人，在讀碩士，師承何國球教授，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