基于不同粗糙度Ra與Rz的FV520B-I超高周疲勞失效研究

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（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

1 引言

高強(qiáng)度鋼FV520B-I作為一種重要的工程材料，具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于制造大型機(jī)械設(shè)備的核心零部件，例如大型離心壓縮機(jī)葉片等。這些零部件造價(jià)昂貴，一旦發(fā)生疲勞失效將造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至導(dǎo)致人員傷亡[1-2]。所以離心壓縮機(jī)葉片的疲勞壽命通常都需要在107周期以上，也就是達(dá)到超高周疲勞的水平。明確FV520B-I的超高周疲勞失效機(jī)理能夠有效的避免疲勞失效的發(fā)生，對(duì)于設(shè)備的維護(hù)和保障人員安全有著重要的意義[3-5]。

粗糙度是反映零部件及試件表面質(zhì)量、微觀幾何形狀誤差的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，不同的表面粗糙度對(duì)零部件的疲勞性能有著不同的影響[6]。目前用于定量表面表面質(zhì)量的粗糙度主要分為兩種：表面輪廓算術(shù)平均偏差Ra及表面輪廓最大高度Rz。在實(shí)際的工程案例中，惡劣的工作環(huán)境會(huì)降低FV520B-I零部件的表面質(zhì)量，增大表面粗糙度。由斷裂力學(xué)可知，表面粗糙度值越大，表面的溝痕越深，紋底半徑越小，應(yīng)力集中也就越嚴(yán)重，疲勞強(qiáng)度也越低。因此導(dǎo)致試件的抵抗疲勞破壞的能力越差。從微觀方面進(jìn)行解釋?zhuān)幢砻娉霈F(xiàn)了較大的高低不平度，相當(dāng)于在材料表面形成擠入和擠出，加速了裂紋的萌生，降低了疲勞壽命；從宏觀方面講，大的表面粗糙度促使表面應(yīng)力集中的形成，而表面應(yīng)力集中往往就是疲勞源，從而使疲勞極限有明顯的降低，進(jìn)而影響FV520B-I的疲勞壽命，減弱FV520B-I抵抗疲勞失效的能力[7-10]。但是在目前的高強(qiáng)度鋼超高周疲勞研究中，主要以?xún)?nèi)部夾雜物為影響因素，沒(méi)有明確不同表面粗糙度對(duì)FV520B-I超高周疲勞失效的影響，并未對(duì)表面粗糙度與超高周疲勞失效之間的關(guān)系進(jìn)行深入的研究。

因此，以不同粗糙度的FV520B-I超高周疲勞試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，分析不同形式的表面粗糙度對(duì)FV20B-I超高周疲勞失效機(jī)理的影響，對(duì)維護(hù)機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高FV520B-I疲勞壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性提供理論依據(jù)。同時(shí)，明確表面粗糙度對(duì)FV20B-I超高周疲勞失效的影響對(duì)豐富FV520B-I超高周疲勞失效研究也有重要的意義。

2 基于不同粗糙度的FV520B-I超高周疲勞試驗(yàn)

2.1 兩種表面粗糙度

目前主要通過(guò)兩種表面粗糙度對(duì)零部件的表面質(zhì)量進(jìn)行定量表征：表面輪廓算術(shù)平均偏差Ra及表面輪廓最大高度Rz。粗糙度Ra表示的是采樣長(zhǎng)度（lr）內(nèi)表面輪廓偏移量的絕對(duì)算術(shù)平均值，具有測(cè)量簡(jiǎn)單、結(jié)果偏差小等特點(diǎn)，并且可以同時(shí)反映出表面微觀幾何形貌及表面輪廓鋒形貌特征，被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工況下各類(lèi)零部件表面質(zhì)量的定量表征。而粗糙度Rz表示的是采樣長(zhǎng)度（l r）內(nèi)表面輪廓偏移量的最大值，即最深的加工溝壑。對(duì)于不同的零部件而言，能夠通過(guò)相同的加工工藝流程來(lái)實(shí)現(xiàn)一批零部件的Ra值相同，但是每個(gè)獨(dú)立的零部件的Rz值無(wú)法保證相同。并且在外加循環(huán)載荷的作用下，零部件表面Rz位置形成明顯的應(yīng)力集中，導(dǎo)致該位置及周?chē)牟牧系挚蛊谑У哪芰p弱。雖然這種影響不能夠直接改變超高周疲勞失效機(jī)理及形式，但仍然會(huì)對(duì)超高周內(nèi)部疲勞失效的起源位置等因素產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而影響疲勞壽命。因此，在進(jìn)行宏觀方面的分析時(shí)以粗糙度Ra作為主要因素，得到的結(jié)果偏于保守，而在進(jìn)行超高周疲勞失效機(jī)理及壽命相關(guān)的分析時(shí)以粗糙度Rz為主要因素，得到的結(jié)果比較具有針對(duì)性。

2.2 試驗(yàn)試件與材料

試驗(yàn)所用FV520B-I是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，試件材料的化學(xué)成分[11-12]，如表1所示。

表1 試件化學(xué)成分化學(xué)成分（wt%）Tab.1 The Chemical Composition of Specimen（wt%）

熱處理工藝為（1050±10）℃固溶化處理（1～1.5）h，空冷；（850±10）℃中間調(diào)整處理（3～3.5）h，油冷；（470±10）℃時(shí)效處理（4～5）h，空冷。熱處理后通過(guò)試驗(yàn)得到FV520B-I的力學(xué)性能[11-12]，如表1～表2所示。

表2 FV520B-I力學(xué)性能Tab.2 Mechanical Property of FV520B-I

標(biāo)準(zhǔn)疲勞試件為“沙漏型”，根據(jù)FV520B-I的具體材料參數(shù)計(jì)算得到試件尺寸，如圖1所示[13]。

圖1 試件Fig.1 The Specimen

為了研究表面粗糙度對(duì)FV520B-I超高周疲勞失效的影響，需要使用不同粗糙度的試件進(jìn)行試驗(yàn)。在實(shí)際工況中，F(xiàn)V520BI零部件的表面粗糙度值小于0.8μm，一些經(jīng)過(guò)拋光加工后的零部件表面粗糙度能夠達(dá)到0.2μm。結(jié)合實(shí)際工況中FV520B-I零部件的表面質(zhì)量情況，將超聲疲勞試件的表面粗糙度分為四個(gè)層次：Ra1≤0.1μm，0.1μm

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)中使用的是USF-2000超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)，加載頻率為20kHz±500Hz。試驗(yàn)中應(yīng)力比為-1，即對(duì)稱(chēng)循環(huán)載荷，間歇比為1：2（工作250ms，停止500ms）。使用強(qiáng)冷空氣進(jìn)行冷卻，避免發(fā)熱對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。使用掃描電鏡顯微鏡（SEM）對(duì)試件斷口進(jìn)行觀察，對(duì)內(nèi)部夾雜物尺寸、GBF去尺寸、魚(yú)眼區(qū)尺寸及失效源與試件表面距離之間的距離進(jìn)行測(cè)量并記錄。使用能譜分析儀對(duì)疲勞失效源及其附近區(qū)域的化學(xué)成分進(jìn)行能譜分析，確定引起疲勞失效的主要損傷形式。

3 表面粗糙度對(duì)FV520B-I超高周疲勞失效的影響

3.1 粗糙度Ra對(duì)FV520B-I超高周疲勞失效的影響

不同粗糙度試件得到的疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分布，分布趨勢(shì)基本一致，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分布Fig.2 The Distribution of the Experimental Data

圖中有三個(gè)試件的疲勞失效發(fā)生于表面，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅值為600MPa和575MPa，此時(shí)表面粗糙度分別為Ra1，Ra2及Ra3，相應(yīng)的疲勞壽命小于107周次。剩余表面粗糙度為Ra1，Ra2及Ra3的試件疲勞失效均發(fā)生于內(nèi)部，并且疲勞壽命基本都處于超高周疲勞范疇。當(dāng)表面粗糙度為Ra4時(shí)，超高周疲勞現(xiàn)象明顯，所有的試件疲勞失效均發(fā)生于內(nèi)部，沒(méi)有表面失效的情況，并且所有的失效均為超高周疲勞失效，疲勞壽命大于107周次。

使用掃描電鏡顯微鏡對(duì)試件斷口進(jìn)行觀察，并通過(guò)能譜儀對(duì)試件斷口的化學(xué)成分進(jìn)行分析。疲勞壽命小于107的試件斷口特征，疲勞失效起源于表面疲勞損傷，并且在斷口表面可以觀察到很多從表面向內(nèi)部基體材料延伸而當(dāng)輻射狀條紋，這符合表面疲勞失效的斷口特征，如圖3所示。

圖3 表面失效斷口形貌Fig.3 Fhe Fracture Surface of Surface Failur e

在超高周疲勞范疇內(nèi)（疲勞壽命大于107周次），四組不同粗糙度試件的疲勞失效均發(fā)生于內(nèi)部，這說(shuō)明表面微觀缺陷的變化對(duì)疲勞失效形式?jīng)]有影響。但是通過(guò)對(duì)失效斷口進(jìn)行能譜分析發(fā)現(xiàn)，表面粗糙度會(huì)對(duì)引起疲勞失效的具體損傷形式產(chǎn)生影響。

引起超高周疲勞失效的損傷形式包括兩種：內(nèi)部夾雜物及基體材料。當(dāng)疲勞失效是由內(nèi)部夾雜物引起時(shí)，可以在斷口表面觀察到明顯的GBF區(qū)及“魚(yú)眼區(qū)”，如圖4所示。能譜分析顯示，在斷口區(qū)域存在S、Ti、Al及O等元素的富集，這也表明疲勞失效是由夾雜物引起。

圖4 夾雜物引起的斷口形貌及能譜分析結(jié)果Fig.4 The Fracture Surface of Internal Failure

當(dāng)超高周疲勞失效起源于內(nèi)部基體材料時(shí)，如圖5所示，斷口表面同樣能夠觀察到GBF區(qū)及“魚(yú)眼區(qū)”，但是邊界不明顯。能譜檢測(cè)結(jié)果顯示，斷口區(qū)域內(nèi)主要為Fe元素，并沒(méi)有出現(xiàn)非Fe元素的富集現(xiàn)象。

圖5 基體材料引起的失效斷口及能譜分析Fig.5 The Internal Failure Caused by Matrix Material

將上述三種失效形式：表面疲勞失效、內(nèi)部夾雜物引起的疲勞失效及內(nèi)部基體材料引起的失效，根據(jù)不同的粗糙度Ra進(jìn)行分類(lèi)。隨著粗糙度Rz的變化，各類(lèi)失效形式的數(shù)量發(fā)生了變化，如圖6所示。

圖6 失效類(lèi)型與表面粗糙度Fig.6 The Distribution of the Fatigue Failure Type

由上圖可知，當(dāng)表面粗糙度較小時(shí)（Ra1），內(nèi)部基體材料與內(nèi)部夾雜物對(duì)超高周疲勞失效的影響相同，分別由這兩類(lèi)疲勞損傷因起的疲勞失效數(shù)量基本一致。隨著表面粗糙度增大至Ra3時(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明內(nèi)部基體材料對(duì)疲勞失效的影響逐漸減弱，內(nèi)部夾雜物成為主導(dǎo)因素，內(nèi)部夾雜物引起的失效數(shù)量增加，基體材料引起的失效數(shù)量降低。當(dāng)表面粗糙度增大到Ra4時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示各類(lèi)失效類(lèi)型所占比例趨于平穩(wěn)，雖然出現(xiàn)了一例由基體材料引起的疲勞失效，但是內(nèi)部夾雜物仍然是超高周疲勞失效的主要因素。在現(xiàn)有的超高周疲勞理論中，內(nèi)部夾雜物為超高周疲勞失效的主要因素。但是根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，當(dāng)表面粗糙度較小時(shí)，內(nèi)部基體材料曲線同樣對(duì)超高周疲勞失效有顯著的影響，并引起最終的失效。只有當(dāng)表面粗糙度增大時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部夾雜物引起疲勞失效的現(xiàn)象。雖然表面粗糙度從Ra1變?yōu)镽a2時(shí)增加了一倍，但是增幅只有0.1μm，這表明高強(qiáng)度鋼FV520B-I超高周疲勞失效對(duì)表面粗糙度存在一定的敏感性，比較小的增幅就能引起超高周疲勞失效因素由基體材料和內(nèi)部夾雜物共同作用轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部夾雜物單一因素作用。

3.2 表面粗糙度Rz對(duì)超高周疲勞失效位置的影響

表面粗糙度Rz表示的是在測(cè)量范圍內(nèi)加工溝痕的最大峰值與最大谷值之和，表示的表面微觀缺陷的一個(gè)最大值，這與Ra所表示的平均值不同。根據(jù)當(dāng)試件表面存在單一或者局部較大加工溝壑時(shí)，相應(yīng)的表面粗糙度Rz值較大，此時(shí)該位置容易產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，并導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度降低。因此在分析表面粗糙度對(duì)超高周疲勞失效影響時(shí)，Rz同樣是一個(gè)不可忽略的因素。疲勞失效起源位置距離試件表面的距離（Da-s）同樣是影響超高周疲勞失效的一個(gè)重要因素，如圖所示為表面粗糙度Rz與疲勞失效位置距離表面的距離之間的分布。

上圖所示表面粗糙度Rz與失效起源位置距表面距離Da-s之間的分布滿(mǎn)足以下總體特征：（1）應(yīng)力幅值小于600MPa時(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明粗糙度Rz與疲勞失效起源位置距表面距離Da-s之間呈正相關(guān)；（2）應(yīng)力幅值增大至600MPa時(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明二者之間呈負(fù)相關(guān)。

（1）當(dāng)應(yīng)力幅值小于600MPa時(shí)，隨著表面粗糙度Rz的增大，試件表面的應(yīng)力集中越來(lái)越明顯，此時(shí)疲勞失效起源表面的可能性增大，形成了表面疲勞損傷與內(nèi)部疲勞損傷之間的激烈競(jìng)爭(zhēng)。另一方面，應(yīng)力集中導(dǎo)致的表面應(yīng)力狀態(tài)惡化也促進(jìn)了表面硬化的發(fā)展。但是由于二者之間激烈的競(jìng)爭(zhēng)以及較大的表面粗糙度Rz，導(dǎo)致表面必須通過(guò)更多的循環(huán)載荷才能形成表面硬化層。而表面硬化層對(duì)疲勞失效起源于表面起到了抑制作用。表面粗糙度Rz越大，形成表面硬化所需的疲勞載荷周次越多，表面硬化層對(duì)表面疲勞失效的抑制作用越明顯，因此疲勞失效越不容易從表面起源。而內(nèi)部較深的疲勞損傷有更多時(shí)間來(lái)進(jìn)行疲勞裂紋的擴(kuò)展，從而引起疲勞失效，如圖8所示。同時(shí)，由于應(yīng)力幅值的增大對(duì)疲勞失效起到了促進(jìn)作用，因此隨著應(yīng)力幅值的增大，逐漸淡化了表面粗糙度Rz對(duì)疲勞失效起源位置距表面距離的影響，如圖7中表面粗糙度Rz與Da-s的分布之間的定性關(guān)系曲線斜率逐漸降低。

圖7 表面粗糙度Rz與Da-s的分布Fig.7 The Distribution of Rz and Distance D a-s

圖8 粗糙度Rz對(duì)Da-s的影響Fig.8 Effect of Rz on D a-s

（2）當(dāng)應(yīng)力幅值增大至600MPa時(shí)，應(yīng)力幅值對(duì)疲勞失效的影響增強(qiáng)，雖然最終失效仍起源于內(nèi)部，但是疲勞壽命降低到107周次附近。此時(shí)內(nèi)部疲勞損傷對(duì)疲勞失效的影響減弱，表面微觀缺陷（以表面粗糙度作為定量表征）對(duì)疲勞失效的影響逐漸增強(qiáng)。因此當(dāng)表面粗糙度Rz增大時(shí)，應(yīng)力集中更加明顯，疲勞失效傾向于向應(yīng)力集中大的位置靠近。因此存在較大表面微觀缺陷的位置更容易引起表面疲勞失效，此時(shí)表面粗糙度Rz與疲勞失效起源位置距表面距離之間成負(fù)相關(guān)。

4 結(jié)論

基于FV520B-I不同粗糙度的超高周疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)典的斷裂力學(xué)，分析了超高周疲勞失效與粗糙度Ra及Rz之間的關(guān)系，得到了以下結(jié)論：（1）在超高周疲勞范疇中，表面微觀缺陷對(duì)引起疲勞失效的內(nèi)部損傷形式有影響，但是內(nèi)部疲勞損傷仍為引起疲勞失效的主要因素，以FV520B-I基于內(nèi)部夾雜物的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)；（2）隨著表面粗糙度Ra增大，超高周疲勞失效主要因素從基體夾雜物與內(nèi)部夾雜物的共同作用轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部夾雜物單一因素作用；（3）應(yīng)力幅值為500MPa至575MPa時(shí)，表面粗糙度Rz與疲勞失效起源位置距表面距離成正相關(guān)，應(yīng)力幅值達(dá)到600MPa時(shí)，二者呈負(fù)相關(guān)。

明確表面粗糙度對(duì)超高周疲勞失效的影響有助于提高FV520B-I超高周疲勞壽命預(yù)測(cè)的結(jié)果，對(duì)豐富FV520B-I的超高周疲勞研究有比較重要的理論價(jià)值，對(duì)保障實(shí)際工況中機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行及人員安全、避免事故的發(fā)生有比較重要的實(shí)際意義。在研究FV520B-I超高周疲勞失效的過(guò)程中涉及到材料科學(xué)、力學(xué)、機(jī)械科學(xué)等多門(mén)學(xué)科，并且研究表面粗糙度對(duì)超高周疲勞失效的影響是一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，因此還存在著一些需要解決的難題。首先，需要進(jìn)一步開(kāi)展大量不同粗糙度的FV520B-I超高周疲勞實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)有的公式將表面粗糙度對(duì)FV520B-I超高周疲勞失效的影響進(jìn)行定量表征，明確二者之間的映射關(guān)系。

其次，在進(jìn)行FV520B-I超高周的疲勞失效分析時(shí)，應(yīng)將表面粗糙度的影響與內(nèi)部夾雜物的影響進(jìn)行耦合，并結(jié)合應(yīng)力幅值、零部件尺寸等因素，建立一個(gè)考慮因素全面的疲勞失效模型。

這些都是疲勞壽命預(yù)測(cè)領(lǐng)域目前面臨的很重要并且亟待解決的問(wèn)題，這也將是FV520B-I超高周疲勞疲勞研究領(lǐng)域今后應(yīng)該繼續(xù)努力的方向與重點(diǎn)。