回火温度对40Cr钢疲劳裂纹扩展的影响.docx

回火温度对 40Cr 钢疲劳裂纹扩展的影响杨晓华兑卫真（福州大学材料学院 福州 350002）摘 要: 本文采用三点弯曲压－压疲劳实验方法测量了 40Cr 钢不同温度回火后疲劳裂纹长度与循环周次的关系曲线。结果表明，低温回火后，40Cr 钢在缺口处的起裂抗力高，一旦萌生了一定长度的疲劳裂纹，疲劳裂纹扩展速率明显高 于高温回火和中温回火试样；随着回火温度的升高，40Cr 钢在缺口处的起裂抗力减小，但疲劳裂纹扩展速率也减小。 疲劳断口微观分析表面，在疲劳裂纹扩展初期，低温回火试样的疲劳断口表现出脆性疲劳纹特征，中温回火和高温回 火试样主要是二次裂纹组成的疲劳纹，而且随着回火温度的升高，二次裂纹间距减小。在疲劳裂纹扩展中区和瞬断区， 低温回火的疲劳断口主要为解理断裂和沿晶断裂特征，中温和高温回火的疲劳断口是以韧窝为主的韧性断裂特征。疲 劳裂纹扩展机理的不同导致了疲劳裂纹扩展规律的变化。关键词：疲劳裂纹扩展 回火 疲劳断口在结构强度的设计中，常把裂纹的形成寿命作为总寿命，即所谓的安全寿命设计。多年来的使用说明，这种设计指导思想是保守的。尤其是对于航空工业，浪费极大。例如美国空军在发动机完整性 大纲中规定：涡转轮中，如果出现 1/32 试样长度的裂纹时，这批轮盘即全部报废而更换新盘。近年来 的使用说明，在盘的某些部分是允许裂纹存在的，而且扩展到一定的长度也不至于造成灾难性的事故。 经过研究，原来报废的盘，其中 90％均可重新启用。这个例子说明工程中有些构件虽然存在裂纹，但 并不危险。所以，近年来出现了损伤容限设计[1-6]，但是，要进行损伤容限设计必须了解疲劳损伤的特 性和裂纹扩展的规律。高周疲劳损伤的研究由于时间的限制一般停留在损伤第二阶段的初期，疲劳裂 纹的萌生阶段[7]，本文对单边缺口试样进行三点弯曲压-压疲劳试验，测量有缺口的情况下疲劳裂纹萌 生和扩展过程，为疲劳损伤的第三阶段提供试验数据，并且研究回火温度对疲劳裂纹扩展规律的影响。1．试验内容1.1 试验材料40Cr 钢成分列于表 1。表 1 40Cr 钢化学成分元素CMnSiPSCr(wt%)0.430.760.240.0260.0241.061.2 热处理试验将 40Cr 圆钢及小试样在 850℃加热保温，然后油淬，然后在 200℃，450℃，580℃进行低温、中 温、高温回火，测量抗拉强度分别为 1800MPa，1200MPa，900MPa，用线切割机将试样切成 10×20×70mm 矩形试样，并在每个试样的中部用线切割预置了 2.00mm 的裂纹，如图 1 所示。201070图 1 三点弯曲压－压疲劳试样尺寸229材料及成型技术1.3疲劳试验在 Instron 1342 疲劳试验机上进行，跨距 50mm。试验时每隔 1000 循环周次测量一个裂纹长 度数据。精确测量裂纹扩展长度是本试验的关键环节。本实验采用目测法在十倍放大镜下测量上、下表面的裂纹长度，然后取平均值。 实验选用载荷为 P＝－1.5KNP=－16.7KN，频率为 5～10Hz。1.4 扫描电镜观察本试验使用 XL30-ESEM-TMP 型扫描电镜观察不同温度下回火的 40Cr 钢试样疲劳断裂后的裂纹扩 展形貌。2．试验结果与分析2.1 回火温度对疲劳裂纹扩展规律的影响图 2 为 200℃、450℃和 580℃回火后的疲劳裂纹长度与循环周次的关系曲线。在低温回火试样的 a-N 曲线上，我们可以看到，低温回火的扩展速度增加很快，裂纹长度 a 随循环周次 N 快速扩展，在 3.4 千周时，超过同循环周次下的高温回火试样的裂纹长度，在 3.5 千周时， 裂纹长度超过同循环周次下的中温回火试样的裂纹长度。这说明，同样周次时，低温回火试样的裂纹扩展速率最大。这是由于经过低温回火热处理的试样，其断裂韧性较其他二者低；在中温回火试样的a-N 曲线上，3 .5 千周之前,其曲线斜率与高温回火试样的曲线斜率接近，3.5 千周之后，其曲线斜率略 高于高温回火试样的曲线斜率；在三种不同回火温度试样的 a-N 曲线中，相同周次时高温试样的斜率 最小，低温的最大，说明，经过高温回火的试样其断裂韧性是最好的。造成三种试样的 a-N 曲线不同的根本原因是三种试样在不同的回火温度下的组织不同，低温回火 后的组织为回火马氏体；中温回火之后，材料组织变得均匀，渗碳体颗粒均匀析出，组织为回火屈氏 体；高温回火过程对材料组织的影响与中温相似，机体中的缺陷密度、应力均减小，铁素体发生恢复 再结晶，碳化物颗粒长大，均匀的分布在a 晶粒内，组织变得更加均匀，因而高温回火试样的断裂韧 性等综合性能最好[8]。da将 a－N 曲线上每一点斜率与裂纹扩展长度 a 相对应， 绘出裂纹扩展速率与裂纹扩展长度 adN的曲线，如图 3 所示。230材料及成型技