粉末锻造Fe-2Cu-0.5C-0.11S材料的超声疲劳

杨硕，肖志瑜，冼志勇，梁集标，温利平，朱权利



粉末锻造Fe-2Cu-0.5C-0.11S材料的超声疲劳

杨硕1，肖志瑜1，冼志勇2，梁集标3，温利平1，朱权利1

(1. 华南理工大学国家金属近净成形工程技术研究中心，广州 510640；2. 佛山市质量计量监督检测中心，佛山 528225；3. 广东东睦新材料有限公司，江门 529000)

采用粉末锻造工艺制备Fe-2Cu-0.5C-0.11S材料，对该材料进行超声疲劳试验，研究材料的超声疲劳行为，并对疲劳断口形貌进行观察与分析。结果表明，Fe-2Cu-0.5C-0.11S材料不存在无限疲劳寿命，只存在条件疲劳强度，在105，106，107，108周次下材料的疲劳强度分别为543.6，437.7，351.1和281.7 MPa，疲劳断口由裂纹源区、裂纹稳定扩展区和瞬断区组成。裂纹源区内存在扇形分布的疲劳台阶和短小撕裂棱，在疲劳应力较大时主裂纹源位于材料表面，应力较小时主裂纹源位于材料内部；裂纹稳定扩展区内存在大量方向不规则的疲劳辉纹，疲劳辉纹的间隔随疲劳应力减小而减小；瞬断区整体较粗糙且不平整，内部存在大量韧窝。

粉末锻造；铁基材料；超声疲劳；S-N曲线；疲劳断口

疲劳破坏是材料失效的主要形式之一。在实际应用中约有80%以上的结构强度破坏是由疲劳造成 的[1]，疲劳破坏没有预兆，危害性很大[2]。粉末冶金材料的疲劳性能和行为与致密材料不同[3]，材料密度、孔隙、夹杂物、残余应力和显微组织等均会对粉末冶金材料的疲劳性能产生影响[4]。由于粉末冶金材料的应用范围越来越广，对其疲劳性能进行研究具有重要意义。在各种疲劳性能试验方法中，超声疲劳试验方法可以快速测得材料的高周及超高周疲劳性能。目前，华南理工大学对铁基粉末冶金材料的超声疲劳性能进行了较多研究，包括Fe-Cu-Ni-Mo-C[5−6]、Fe-Cu-Mn- C[7]、Fe-Ni-Cu-Cr-Mo-C[8]等一系列材料。Fe-Cu-C-S系铁基粉末冶金材料具有高性能低成本的优点，广泛应用于连杆的生产与制备，国外已经开发出HS150 (3Cu5C)、HS160(3Cu6C)和HS170(3Cu7C)等一系列Fe-Cu-C-S粉末锻造连杆并已实际应用[9]，但国内对Fe-Cu-C-S系粉末冶金材料研究较少，对其高周及超高周疲劳性能的研究则没有报道。因此，本文作者采用国产原料，通过粉末锻造的方法制备Fe-2Cu-0.5C- 0.11S铁基材料，对其超声疲劳性能和行为进行研究，以期为扩展铁基粉末冶金材料的应用提供技术依据。

1 实验

实验原料采用粒度小于147 μm的水雾化铁粉，粒度小于74 μm的电解铜粉，粒度小于74 μm的鳞片状石墨粉和粒度小于74 μm的硫化锰粉。按照97.2%Fe，2%Cu，0.5%C和0.3%MnS(均为质量分数，下同)的配比称量原料粉末，再加入0.6%的硬脂酸锂作为润滑剂，在V型高效混粉机上充分混合2 h；将混合粉末装入模具内，以3%硬脂酸锂酒精溶液作为润滑剂进行模壁润滑，在THP-60A型快速油压机上以700 MPa的压力进行常温双向压制；将压坯置于工业网带炉中进行烧结，烧结温度为1120 ℃，烧结气氛为分解氨，保温1 h，随炉冷却后取出；将烧结件在碳还原气氛箱式炉内重新加热至1050 ℃时，从炉中取出，立即在100 t自动液压机上进行锻造，得到尺寸为56 mm×11 mm×8 mm的粉末锻造Fe-2Cu-0.5C- 0.11S材料样品。锻造压力为1500 MPa。经过分析与测试，该材料的显微组织由珠光体和铁素体组成，密度为7.75 g/cm3，抗拉强度为1018 MPa，伸长率为4.0%。

利用锻造材料的密度=7.75 g/cm3和弹性模量=220 GPa，计算出疲劳试样的长度为35.2 mm，试样的具体尺寸如图1所示，按照图1利用线切割将锻造后的试样加工成疲劳试样，通过有限元分析得出试样的固有频率为20148 Hz，在系统频率之内，符合超声疲劳试验的要求，利用西南交通大学的超声疲劳试验设备进行试验，试验系统频率为20±0.5 kHz，应力比=−1，水冷。设置不同的“加载位移幅”(可换算为应力)，得到不同的疲劳循环周次，从而绘制–曲线。

图1 对称弯曲超声疲劳试样的尺寸

2 结果与讨论

2.1 疲劳S-N曲线

图2所示为粉末锻造Fe-2Cu-0.5C-0.11S材料在105~108周次下的–曲线(为超声疲劳应力；为疲劳循环周次)。由图可见–曲线为一条连续下降的曲线，其存活率为50%。其中，疲劳循环周次在107以上时，材料仍会出现疲劳断裂，而不会出现疲劳水平平台，即不存在传统概念上的无限疲劳寿命，材料只存在条件疲劳强度。使用Basquin方程[10]对–曲线进行拟合，Basquin方程为：

其中：σ为疲劳强度；为超声疲劳强度系数；Nf为疲劳循环周次；b为超声疲劳强度指数。经过拟合，得到Basquin拟合方程为：

利用式(2)进行计算，得到材料疲劳循环周次N分别为105，106，107和108下的疲劳强度分别为543.6，437.7，351.1和281.7 MPa。一般来说，由于材料的自振和疲劳试验中加载的应变速率较大，超声疲劳试验得出的疲劳强度稍高于常规疲劳试验[11]。

2.2 疲劳断口形貌

图3所示为1.2×105周次下疲劳强度为533.6 MPa时的对称弯曲超声疲劳断口SEM形貌。由图可见，疲劳断口由裂纹源区，裂纹稳定扩展区和裂纹失稳扩展区(瞬断区)组成。由于经过反复的摩擦且与空气的接触时间较长，裂纹源区的颜色较深。从图3(a)看出，裂纹主要萌生于材料表面与次表面的夹杂物处，根据颜色可判断材料表面处的裂纹源为主裂纹源，包括区域A与区域B，区域C为次裂纹源，位于材料内部。从图3(b)和(c)可知，主裂纹源处的夹杂物主要为铁的氧化物和碳化物以及硫化锰。裂纹稳定扩展区内可看到疲劳辉纹和少量摩擦划痕，如图3(d)所示。在疲劳循环应力的作用下，裂纹扩展形成疲劳辉纹，辉纹间隔的大小可代表裂纹扩展的速度，由于此时应力较大，裂纹扩展速度快，所以疲劳辉纹的间隔较 大。瞬断区整体较粗糙，观察到大量韧窝，如图3(e)所示。

图3 Nf =1.2×105时材料的超声疲劳断口SEM形貌

图4所示为1.4×106周次下材料的疲劳断口SEM形貌。从图4(a)可见疲劳源区有多处，表现出多源萌生的特点，其中试样表面处的裂纹源区颜色较深，为主裂纹源。裂纹稳定扩展区存在大量疲劳辉纹(如图4(b)所示)，与1.2×105周次下疲劳强度为533.6 MPa时的疲劳断口相比，由于疲劳应力减小，疲劳裂纹扩展速度变慢，所以疲劳辉纹之间的间隔变小。图4(c)所示为瞬断区形貌，可见大量韧窝。

图4 Nf =1.4×106时材料的超声疲劳断口形貌

图5所示为1.2×107周次下，疲劳强度为343.9 MPa时材料的超声疲劳断口SEM形貌。从图5(a)可见疲劳源主要位于试样表面，疲劳萌生于表面的夹杂物处，表现出多源萌生的特点。图5(b)所示为疲劳裂纹稳定扩展区形貌，可以观察到疲劳辉纹，疲劳辉纹的方向一般与疲劳裂纹的扩展方向垂直，但从图5(b)可见疲劳辉纹的方向不规则，这可能与粉末冶金材料中存在孔隙导致应力分布不规则有关。瞬断区较粗糙，存在大量韧窝(见5(c))。

图5 Nf =1.2×107, σ=343.9MPa时材料的超声疲劳断口形貌

图6所示为1.7×108周次下，疲劳强度为266 MPa时材料的超声疲劳断口SEM形貌。由图可见，疲劳裂纹萌生于试样内部的夹杂物处，并可观察到扇形分布的疲劳台阶和大量亮白色的短小撕裂棱；由于疲劳循环应力进一步减小，疲劳辉纹之间的间隔进一步缩小；瞬断区整体非常不平整，存在大量韧窝。

图6 Nf =1.7×108时材料的超声疲劳断口形貌

3 结论

1) 粉末锻造Fe-2Cu-0.5C-0.11S铁基材料的疲劳寿命曲线(−曲线)是一条连续下降的曲线，其存活率为50%。材料不存在传统意义上的无限疲劳寿命，只存在条件疲劳强度。在105，106，107和108周次下材料的条件疲劳强度分别为543.6，437.7，351.1和281.7 MPa。

2) 材料的超声疲劳断口由裂纹源区、裂纹稳定扩展区和瞬断区组成。裂纹源区内部存在扇形分布的疲劳台阶和撕裂棱，裂纹在夹杂物处萌生，呈现出多源萌生的特点，在疲劳应力较高时主裂纹源位于材料表面，在疲劳应力较低时主裂纹源位于材料内部；裂纹稳定扩展区内部存在大量疲劳辉纹，辉纹的方向不规则，且疲劳辉纹的间隔随疲劳应力减小而减小；瞬断区整体较粗糙不平整，存在大量韧窝。

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(编辑 汤金芝)

Ultrasonic fatigue of powder-forged Fe-2Cu-0.5C-0.11S materials

YANG Shuo1, XIAO Zhiyu1, XIAN Zhiyong2, LIANG Jibiao3, WEN Liping1, ZHU Quanli1

(1. National Engineering Research Center of Near-Net-Shape Forming for Metallic Material, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 2. Foshan Supervision Testing Centre of Quality and Metrology, Foshan 528225, China;3. NBTM New Materials Co., Ltd., Jiangmen 529000, China)

Fe-2Cu-0.5C-0.11S materials were prepared by powder forging technology. The fatigue behavior and fatigue fracture morphology under different cycles were studied by ultrasonic fatigue test and SEM. The results show that the Fe-2Cu-0.5C-0.11S materials have no infinite fatigue life, but only have conditional fatigue strength. The fatigue strengthes under 105, 106, 107, 108cycles are 543.6, 437.7, 351.1 and 281.7 MPa, respectively. Fatigue fracture surface shows crack source region, crack propagation region and final fracture region. Fan shape distribution of fatigue steps and short tearing edges can be found in the crack source region. Main crack source locates on the surface of the material when the fatigue stress is large, but locates inside the material when the stress is small. There are a large number of irregular fatigue striations in the crack propagation region and the fatigue striation interval decreases with the decrease of fatigue stress. The transient fracture region is rough, uneven and with lots of dimples.

powder forging; iron-based materials; ultrasonic fatigue; S-N curve; fatigue fracture

TG113.25+5

A

1673-0224(2017)05-608-06

国家自然科学基金项目(51274103)；广东省自然科学基金团队项目(2015A030312003)；广东省科技攻关项目(2016B030302006，2015B020238008)

2017−03−13；

2017−05−08

肖志瑜，教授，博士。电话：020-87110099；E-mail: zhyxiao@scut.edu.cn