中碳鋼高周疲勞損傷過程中表面顯微硬度變化特征的實驗研究

崔曉玉 孫倩

摘要： 金屬材料產生疲勞破壞一般來說都是從表面的薄弱區域開始的，受到外部物理因素和化學因素的影響，表面薄弱區域很容易受到破壞，從而產生疲勞性受損。這不僅僅有助于了解疲勞損傷過程的發展及其物理本質，另一方面，對于尋求服役機械零構件疲勞無損評定的新途徑也具有重要意義。

Abstract： The fatigue damage of metal materials mostly starts from the weak micro area of the free surface， and the fatigue damage is related to the occurrence and development of micro plastic deformation in the fatigue process. It is not only helpful to understand the development of fatigue damage process and its physical essence， but also is of great significance to seek a new way of fatigue non-destructive assessment of mechanical components in service.

關鍵詞： 金屬材料;疲勞損傷;機械零構件

中圖分類號： O346.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0038-02

0? 引言

中碳鋼作為一種良好的材料，具有良好的機械和力學性能。疲勞性就是機械和力學性能的一個指標。中碳鋼的使用過程中，由于受到了計算精度等的影響，中碳鋼的壽命疲勞在計算方式上精度比較低，大部分研究人員在進行疲勞性測試的時候測試有效程度都很低，從而影響了疲勞性的測試和分析。當前在進行中碳鋼的亮度計算的過程中，精度較低的原因主要包含疲勞強度指數難以在全周，即：低周、中周和高周，三者實現統一表達。

所以，為了提升中碳鋼疲勞性測量的強度指數，當前需要對中碳鋼進行基于疲勞壽命的估算方式以及壽命預測分析。在進行測試的時候使用了參考文獻的中碳鋼40Cr疲勞壽命試驗數據，通過這一數據對預測結果進行對比。在比照和預測的過程中，可以實現低周、中周和高周的全方位測算。這種方式為提升測算和估算的精度具有重要幫助。因此，本文對中碳鋼高周疲勞損傷過程中表面顯微硬度變化特征進行實驗研究，將著重分析中碳鋼的表面硬度變化以及使用壽命變化情況，有效提升中碳鋼使用壽命的測算精度。

1? 制定檢查要求，探測疲勞損傷程度

疲勞是零件受到重復載荷部分損壞的過程，并且是零件的破裂，蔓延和最終破壞的累積過程所產生的綜合結果。在反復施加載荷的情況下，局部塑性變形會在應力最高的應力區域中發生。這種塑性變形會導致零件永久損壞和裂紋擴展。但是，隨著零件上的載荷循環次數繼續增加，裂紋（損壞）的長度也會相應增加。達到一定次數的循環后，裂紋可能會導致組件故障。

通常，疲勞過程分為四個階段：裂紋成核，微裂紋增長，宏觀裂紋增長和最終斷裂。

在靠近高應力集中的局部剪切面上會發生裂變，例如穩定的滑動帶，夾雜物，疏松的顆粒或不連續的分布。局部剪切平面通常出現在粒子表面或邊界內。（如圖1所示）

在這個階段，裂紋成核是疲勞過程的第一步。當裂紋成核并反復加載時，裂紋會沿著最大剪切應力平面通過晶界生長。以飛機為例，與飛機的使用情況（飛行小時或起落次數）有關。必須制訂一個檢查要求，以保證在由于某種疲勞損傷造成任何飛機的剩余強度低于允許水平之前，提供探測疲勞損傷的最大可能性。

采用電子顯微鏡對45鋼旋彎試樣高周疲勞損傷累積過程進行顯微分析，再現了金屬材料疲勞損傷過程中的微觀組織變化過程，揭示了材料疲勞損傷從萌生到擴展以至最終斷裂這一演變的物理本質。

2? 通過裂紋檢查失效表面，延長零件壽命

檢查人員需要通過裂紋來檢查失效的表面，通過裂紋分析來延長零件的壽命。通過實驗和計算，我們將討論如何使用等效應變法，能量法和損傷法評估三維交變應力下的高溫和低周疲勞壽命，并介紹相應的壽命評估公式。 在工程應用中，零件在裂紋成核和微裂紋擴展過程中的壽命稱為裂紋萌生階段，萌生階段是控制裂紋擴散的最佳時間。零件在宏觀裂紋擴展過程中的壽命稱為裂紋擴展階段。（如圖2所示）

在許多情況下，無法準確定義從開始到擴展的過渡。鋼零件的開裂階段通常占疲勞壽命的大部分，尤其是在高周疲勞（約10，000次循環）下。在低循環疲勞條件下（少于約10，000個循環），大部分疲勞壽命都花費在擴展裂紋上。

一旦裂紋形成或者發生完全失效，就可以檢查到疲勞失效的表面。彎曲或軸向疲勞失效通常會留下蛤殼狀或海灘狀斑紋，這些斑紋的名稱源自斷裂表面的形貌特征。裂紋成核區域位于殼的中央，裂紋像是從裂紋成核所在區域擴展開來的樣子，通常呈輻射狀，留下一個半橢圓形的圖案。在某些情況下，通過檢測裂紋部位所遺留海灘斑紋的尺寸和位置，可以識別裂紋擴展開始或者結束的不同階段。海灘斑紋的線條呈條紋狀與樹干橫斷面的年輪線相似。這些條紋狀呈現出在一個加載循環期間裂紋擴展的范圍。與此類似，樹每年長一圈，而疲勞損傷則在每個加載循環產生一個圈。在發生疲勞失效時，會出現一個最終的剪切裂痕，這是材料在失效之前對載荷的最后一點支撐，使切變裂痕的尺寸取決于加載的類型、材料和其他條件。

3? 選擇適當材料，減少疲勞損傷

金屬材料本身還有它加工的組件和設備會在反復載荷下造成疲勞損壞。金屬材料在高強度的荷載之下會發生嚴重的疲勞損壞，這對于工程設計和工程進度具有重要影響。當前大部分的機械結構損傷是疲勞損傷，由此可見，疲勞性損傷對設備的影響較深。在諸如RV減速器，鐵路運輸，航空航天和航空航天等工程領域中，經常發生各種損傷性疲勞。（如圖3所示）

學者們使用各種方法和測試來確定材料的疲勞性能。疲勞性能的主要指標是疲勞壽命，也就是疲勞能夠承受的荷載循環次數，同時也可以稱作是整個設備破裂可能需要的時間。很多研究學者使用了顯微鏡來進行分析，從而得出了結論。當前理論分析一般都是將疲勞裂紋形成和疲勞裂紋擴展的時間視為材料的疲勞壽命。

復合材料結構為了擺脫沖擊所帶來的威脅，以沖擊壓縮破壞曲線的門檻值為基礎確定其設計許用應變。其結果是不得不把復合材料結構的工作應變限制在很低的水平上，使復合材料的潛力無法得到發揮。實際上，雖然復合材料結構在制造和使用過程中遇到外來物沖擊是不可避免的，但終究這種沖擊是局部的。不應該為保證這一局部的強度而限制所有未受沖擊的結構部位的工作應變，因為這顯然是不合理的，也是過于保守的。

4? 總結

當前動力機械以及高溫高壓裝置的使用，開始廣泛應用在了工程設備領域中。但是當前的工作環境條件逐漸苛刻，很多設備可能面臨的環境壓力越來越大，設備出現疲勞性鍛煉的可能性也在加大。當前很多學者都在研究多維疲勞產生的原因，針對當前疲勞出現的原因、影響因素和對應策略進行研究和分析。在工程中，高溫疲勞一般分為了二維或者三維的疲勞，而中碳鋼作為廣泛使用的材料，本身有較好的機械和力學性能，因此在高溫疲勞的研究中中碳鋼的研究難度會增大。當前在計算中碳鋼使用壽命的時候經常出現計算精度較低的問題，這是因為在估算過程中，低周、中周和高周，實現統一表達。

因此，在研究中碳鋼的疲勞強度指數的過程中，需要結合傳統的估算方式和新型的估算方式進行預測分析，采用不同方式分析之后進行估算結果的比對，全面分析中碳鋼的疲勞壽命，通過全周分段計算方式來提升壽命估算的精度。這將為提高金屬材料疲勞壽命分析提供一定的支持和幫助。

參考文獻：

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