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35crmoa微动疲劳特性及其微结构 1 微动疲劳特性 微动态疲劳是一项疲劳破坏过程，由于组件接触部分的负荷和相对位移的函数，导致作品的疲劳和破坏，这在航空航天和航空运输业中广泛存在。行业。高速列车中很多机件和构件都是在变动载荷下工作的,如弹簧、轮轴、转向架关键部件等,疲劳破坏是其主要的失效形式,极易造成人身伤害和经济损失,危害性极大。而高速列车的关键部件中,有许多部件的连接处存在接触压力,接触表面会在循环载荷作用下发生微小幅度的相对位移滑动,造成微动疲劳破坏［７－１０］。目前,人们对轮轴钢材料的微动疲劳特性进行了大量的研究工作,而对其微观结构的研究还相对较少。 金属材料在微动疲劳状态下,微动疲劳裂纹往往在材料的磨损表面萌生,并在微动接触区复杂的应力状态下,发生局部塑性变形,在宏观上体现了微动对疲劳的影响,在微观上则是位错在滑移系上的运动及相互作用［１１－１２］。因此,对微动疲劳断裂失效微观机理的研究就需分析接触区位错组态在微动疲劳过程中的演变和不同实验参数对位错组态的影响。 本文采用平面对平面的接触方式研究35CrMoA微动疲劳及其微结构,通过透射电镜(TEM)观察并分析微动疲劳过程中不同循环周次及不同接触应力时位错的组态。 2 微动疲劳性能 试样材料为35CrMoA,其化学成分如表1所示。 试样在850 ℃下固溶处理25 min,然后将试样迅速转移至油中冷却,再在550℃下回火处理60min,最后将试样取出在油中冷却,得到回火索氏体。调质处理后的试样经机加工至所需尺寸,然后进行精密抛光处理, 并且确保抛光方向是沿试样的轴向。在微动疲劳开始之前用丙酮清洗试样和微动桥表面。 试样在MTS809型电液伺服疲劳实验机(图1)上进行微动疲劳实验,材料的力学性能如表2所示。 实验加载示意图如图2所示,两微动桥对称地压于试样两边,构成平面对平面接触。微动桥通过调节螺钉与微动框刚性联结,施加在微动区的接触应力通过调节螺钉上的压力P２调整。在下部循环载荷P１作用下产生反复伸长和恢复,使之和刚性支持的微动块发生微动。 对35CrMoA钢进行单轴拉-拉加载下的微动疲劳实验。实验循环载荷选用正弦波加载,轴向循环载荷的应力比为R=0.1,实验频率3 Hz。在恒定循环应力幅值和不同接触应力值下测试试样的微动疲劳寿命。对试样进行单轴微动疲劳实验至失效断裂,在断口边缘的微动磨损斑下采用无应力线切割取厚约0.3mm的薄片。取样部位如图3所示。 将这些薄片首先人工减薄至60μm,然后用电解双喷的方法做最终减薄,使试样中心穿孔,在孔的边缘形成楔形薄区,制成薄膜试样。位错结构的观察在日立H-800透射电子显微镜上进行,工作电压200kV, 利用双倾样品台来寻找晶带轴,确定观察方向。 3 结果与分析 3.1 疲劳寿命测试结果 轴向应力幅值恒定为800 MPa,控制频率为3Hz,应力比为0.1。改变微动桥的接触压应力,测试不同接触应力下的微动疲劳寿命,结果如图4所示。 结果表明,随着接触应力的增大,材料的微动疲劳寿命不断降低,但是在不同接触压力区间内,疲劳寿命降低的趋势不同。图4中空心点表示在接触应力为0即纯疲劳实验中的疲劳寿命测试结果,其在2.1×10５个循环周次后仍然没有发生断裂失效。当接触应力300 MPa或者400 MPa时,微动疲劳寿命随接触应力的增加而下降的趋势很大,而在300~400 MPa这段区间内,微动疲劳寿命随接触应力增加而下降的趋势较缓。这是因为在接触应力水平较低时,接触表面的微动磨损会破坏表层材料的完整性,促使表面微裂纹的萌生。在这一区间内随着接触应力的增加,表面磨损状态越严重,疲劳微裂纹萌生所需要的时间越短,因此寿命降低趋势明显。当接触应力超过300 MPa时,微动磨擦磨损进一步加剧,但是早期萌生的疲劳微裂纹可能会被微动磨损擦除而消失;另外这一区间内的接触压应力会使微裂纹产生闭合效应,使裂纹扩展受阻。 可见此时的接触应力能推迟表面微裂纹的萌生和扩展。当接触应力超过400 MPa时,过大的压力会在微动疲劳试样表面产生凹陷,微观上形成一个缺口,并在这里形成应力集中,为疲劳微裂纹的萌生和扩展创造了条件。这一区间内接触应力越大,应力集中越大,微动疲劳寿命降低幅度也越大。 3.2 组织结构的观察 35CrMoA钢经过调质处理后,其显微组织为回火索氏体,保留了原淬火马氏体的方位,碳化物等析出相非常细小且不明显。利用TEM观察热处理后的实验材料的微观组织结构,结果见图5所示。 由图5可见,位错是显微结构中最主要的特征,且以零散的线状分散,分布无明显的规律性和方向性。 同时组织还保留了部分细小的马氏体板条,具有一定的位向特征。由于材料的原始状态组织未受到循环载荷作用,所以没有观察到位错线相互缠结的现象。 3.3 位错密度和交叉滑移 在800MPa的轴向应