SUJ2轴承钢超长寿命疲劳行为研究

李永德,张莉莉,张　冲,贺莹莹

(1 河北工程大学 装备制造学院，河北 邯郸 056038;2 达力普石油专用管有限公司 技术中心，河北 沧州 061000;3 山东省分析测试中心，济南 250014;4 江苏省(沙钢)钢铁研究院，江苏 张家港 215625)



SUJ2轴承钢超长寿命疲劳行为研究

李永德1,2,张莉莉1,张冲3,贺莹莹4

(1 河北工程大学 装备制造学院，河北 邯郸 056038;2 达力普石油专用管有限公司 技术中心，河北 沧州 061000;3 山东省分析测试中心，济南 250014;4 江苏省(沙钢)钢铁研究院，江苏 张家港 215625)

超长寿命疲劳；夹杂物；GBF相对尺寸；裂纹扩展

随着工业技术的发展，在飞行器、高速列车、汽车、发动机、海洋结构、MEMS以及生物医学等许多工程应用中，材料和结构经常面临着高频低幅载荷，承受重复载荷次数可高达千兆周次，因此对构件的疲劳设计寿命要求通常达到108周次以上，有的甚至达到1011周次[1-7]。美国空军“发动机结构完整性大纲(Engine Structural Integrity Program，ENSIP)”已经增加了条例，规定“发动机部件超高周疲劳寿命应达到109周次”[8]。因此，有必要对材料在108～1011周次之间的疲劳行为和疲劳机理进行系统的研究，并以此作为这一阶段疲劳安全设计的依据。通常，将循环周次超过107周次的疲劳行为称为超长寿命疲劳(Ultra-Long Life Fatigue,ULF)[9]，也称为超高周疲劳(Very High Cycle Fatigue,VHCF)[10]、千兆周疲劳(Gigacycle Fatigue,GCF)[5]或超高周疲劳(Ultra High Cycle Fatigue,UHCF)[11]。

对于高强钢的超长寿命疲劳，裂纹通常从内部非金属夹杂物处萌生，断口宏观形貌表现为典型的“鱼眼”状。对于具有较长寿命的样品 (≥106周次)，在“鱼眼”内部存在一个特殊形貌区域，Murakami等[12]称之为光学暗区(Optically Dark Area,ODA)；Shiozawa等[13]称之为颗粒状亮面(Granular Bright Facet,GBF)，其他学者对这一区域也有其他不同命名[14-16]。研究表明[17]，GBF中的裂纹萌生与扩展寿命在整个超长寿命疲劳中约占90%以上，可见GBF在超长寿命疲劳中起到了关键作用。关于GBF形成机理的研究，文献[7,12]中提出了几个定性的描述模型。但也有一些不同的报道，认为GBF并不是高强钢超长寿命疲劳的特有形貌，在某些超长寿命疲劳样品的断口上，裂纹源夹杂物的周围并无GBF区[18]；GBF形貌与外加应力比和氢浓度有关[18,19]。

1　实验材料及方法

实验材料为SUJ2轴承钢，其化学成分如表1所示。将原始棒材粗加工为标准的拉伸样品(直径为φ5mm)和超声疲劳样品，并留出一定的加工余量。粗加工后进行热处理，工艺为：加热到860℃保温20min油淬，再经180℃回火保温2h后空冷。热处理后金相组织为回火马氏体。超声疲劳试样尺寸如图1所示。实验前依次用800#，1000#和1200#砂纸对试样中间部分进行最终研磨抛光处理， 尽量减小表面加工痕迹对实验的影响。

表1　SUJ2轴承钢的化学成分(质量分数/%)Table 1　Chemical composition of SUJ2 bearing steel (mass fraction/%)

图1　超声疲劳样品尺寸Fig.1　Dimension of the sample used in ultrasonic fatigue testing

疲劳实验在USF-2000超声疲劳试验机上进行，共振频率为20kHz，共振间歇时间比为150∶150，载荷比R=-1，最大循环周数为1×109。实验时采用压缩空气冷却，实验环境为室温；在WinWDW-300E万能试验机上进行拉伸实验，位移速率为3mm/min；在SUPRA55热场发射扫描电子显微镜(FESEM)上进行断口形貌观察；用能谱仪(EDS)分析裂纹源区化学成分。为了分析GBF内的裂纹扩展规律，采用两步变幅加载技术(Two-Step Variable Amplitude Loading,TSAL)对样品加载，然后通过观察不同初始寿命时断口上GBF裂纹的尺寸建立GBF裂纹扩展规律，详细介绍见文献[20]。为了与TSAL相区分将恒幅加载方式记为CAL(constant amplitude loading)。

2　实验结果

2.1裂纹源区形貌观察

SUJ2轴承钢的抗拉强度为1745MPa，维氏硬度为7909MPa，采用升降法计算得到疲劳强度为765MPa。本次实验的裂纹源均为内部缺陷，宏观上呈现为典型的“鱼眼”形貌，如图2所示。用能谱分析裂纹源可知，裂纹源有4种：钙、铝和镁的复合氧化物(Al2O3·(CaO)x·(MgO)y)、 铁和铬的合金碳化物((FeCr)xCy)、内部基体和TiCN。大部分裂纹源为Al2O3·(CaO)x·(MgO)y，所占比例为82%。图3为4种裂纹源两端断口的微观形貌。图3 (a-1)，(a-2)中裂纹源为Al2O3·(CaO)x·(MgO)y，可见夹杂物仅出现在一端断口上，另一端断口上为夹杂物脱落留下的空洞，表明裂纹从夹杂物与基体界面处萌生，导致夹杂物脱落 (断裂条件：σa=780MPa，Nf=1.76×108)。与图3(a-1)，(a-2)相似，图3(b-1)，(b-2)中TiCN夹杂物也只出现在一端断口上，另一端断口上为夹杂物脱落留下的空洞，裂纹萌生机理与铝复合夹杂物相同 (断裂条件：σa=740MPa，Nf=5×107未断，σa=1020MPa，Nf=5.57×104)。可知，TiCN夹杂物形状类似于正八面体，较尖锐，在夹杂物与基体界面具有较高的应力集中。图3(a-2)，(b-2)中，夹杂物的周围均存在一个特殊形貌区域，与周围裂纹扩展形貌有明显差别，这就是Shiozawa等[13]提到的GBF区域。对比可知，图3(b-2)中GBF边缘比图3(a-2)的GBF边缘更加清晰、尖锐，这也证实了TSAL方法可用于分析GBF裂纹扩展规律。图3(c-1)，(c-2)中两端断口裂纹源处均有(FeCr)xCy，表明裂纹萌生是由(FeCr)xCy本身开裂引起的，与Al2O3·(CaO)x·(MgO)y和(FeCr)xCy不同，这与Furuya等[21]报道的实验现象一致(图3(c-1)，(c-2)样品的断裂条件：σa=1020MPa,Nf=2.11×105)。图3(d-1)，3(d-2)中裂纹源处能谱分析均为基体成分，在裂纹源处可见颗粒状特征的GBF形貌(断裂条件：σa=1060MPa,Nf=4.35×105)。

图2　鱼眼形貌Fig.2　Morphology of fish-eye

图3　裂纹源区微观形貌　(a)钙铝镁复合氧化物；(b)TiCN；(c)铁铬合金碳化物；(d)内部基体；(1)左端；(2)右端Fig.3　Microscopic morphologies of crack origins　(a)composite oxide of Ca,Al and Mg；(b)titanium carbonitride；(c)iron chromium carbide；(d)inner matrix；(1)the left side；(2)the right side

2.2裂纹源尺寸

图4　断口上夹杂物分布(a)与缺陷尺寸极值统计分布(b)Fig.4　Inclusion distribution at the fracture surface(a) and extreme value statistics for defect size at the fracture origin(b)

3　分析讨论

(1)

根据裂纹扩展速率和裂纹尖端塑性区尺寸的相互关系，Yang等[29]提出了GBF尺寸的预测方程，即：

(2)

(3)

(4)

图5　GBF相对尺寸与ΔKinc的关系(a)SUJ2;(b)SUP-QT,SCV-QT和G-QT[25];(c)60Si2CrV,60Si2Cr和60Si2Mn[26];(d)TT150[28]和NSH1[27]Fig.5　Relationship between the relative GBF size and ΔKinc(a)SUJ2;(b)SUP-QT,SCV-QT and G-QT[25];(c)60Si2CrV,60Si2Cr and 60Si2Mn[26];(d)TT150[28] and NSH1[27]

图5中不同颜色实线代表了相应材料按式(4)拟合的曲线，可见实验结果与式(4)能够较好吻合。在拟合式(4)时，近似采用抗拉强度Rm代替ReL，因为对于高强钢而言，一般情况下Rm与ReL相差不大，对于某些高强钢材料甚至没有屈服现象(如本实验材料SUJ2)。在上述讨论中，实验材料均采用淬火+回火的高强钢，没有考虑氢的影响，实际上氢含量CH对GBF尺寸有显著影响，因此图5中实验结果与拟合曲线的偏差被认为是由氢造成的。

图6　夹杂物尺寸与ΔKinc的关系Fig.6　Relationship between the inclusion size and ΔKinc

3.2GBF内裂纹扩展规律

GBF在高强钢的超长寿命疲劳中起到了十分关键的作用，因此关于GBF的形成机理一直是研究的热点之一[7,12,17,21]。研究表明，GBF相对尺寸与疲劳寿命存在一定的对应关系，即随着疲劳寿命的增加，GBF相对尺寸增加。根据实验结果前人分别拟合了GBF相对尺寸与疲劳寿命之间的关系(式(5)[24]，(6)[30])。

(5)

(6)

整理式 (6)为

(7)

图7　GBF相对尺寸与疲劳寿命的定量关系及GBF内裂纹扩展规律(a)不同高强钢的疲劳寿命与GBF相对尺寸的关系;(b)相同氢含量时疲劳寿命与GBF相对尺寸的关系;(c)GBF内裂纹扩展规律;(d)GBF内裂纹扩展示意图Fig.7　Relationship between fatigue life and relative GBF size and the crack growth rule in GBF(a)fatigue life vs relative GBF size for different high strength steels;(b)fatigue life vs relative GBF size for high strength steels with the same hydrogen content;(c)crack growth rule in GBF;(d)illustration of crack growth in GBF

(8)

Tanaka等[16,35]认为，GBF中裂纹扩展规律可以用Paris公式来表征，积分整理后得到：

(9)

式中C和m均为材料常数。整理后得到：

(10)

4　结论

(1)不同裂纹源处的开裂机理不同，对于复合氧化物和TiCN来说，裂纹从夹杂物与基体界面处萌生，而铁和铬的合金碳化物则为夹杂物本身开裂。

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Ultra-long Life Fatigue Behavior of SUJ2 Bearing Steel

LI Yong-de1，2,ZHANG Li-li1,ZHANG Chong3，HE Ying-ying4

(1 Equipment Manufacturing College,Hebei University of Engineering,Handan 056038,Hebei,China;2 Technology R & D Center,Dalipal Pipe Group Co.,Ltd.,Cangzhou 061000,Hebei,China;3 Shandong Analysis and Test Center,Jinan 250014,China;4 Jiangsu Iron & Steel Research Institute(Shagang),Zhangjiagang 215625,Jiangsu,China)

ultra-long life fatigue;inclusion;relative GBF size;crack propagation

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.08.014

TG142.1

A

1001-4381(2016)08-0085-08

国家自然科学基金资助项目(51101094)；河北省高等学校科学技术研究重点资助项目(ZD2015045)；河北工程大学青年学术骨干基金(HBE-Yooth001)；河北工程大学博士专项基金(HBE2014004)；河北省自然科学基金(E2015402111)

2014-08-14;

2015-09-23

李永德(1981-)，男，博士，研究方向：疲劳与断裂及失效分析，联系地址：河北省邯郸市光明南大街199号河北工程大学 (056038)，E-mail:ydli@alum.imr.ac.cn