分享：不同條件下３００M 鋼的疲勞裂紋擴展行為

摘 要:對３００M 鋼在空氣和質(zhì)量分數(shù)３．５％NaCl水溶液中分別進行了疲勞裂紋擴展速率試驗,得到了其疲勞裂紋擴展速率Ｇ應力強度因子范圍曲線,并分別利用 Paris公式和 Walker公式對曲線進行了擬合;分析了應力比、腐蝕環(huán)境、頻率對疲勞裂紋擴展速率的影響.結(jié)果表明:３００M 鋼的疲勞裂紋擴展速率隨應力比的增加而增大;在相同應力比下,３００M 鋼在 NaCl水溶液中的疲勞裂紋擴展速率在裂紋擴展前期比在空氣中的快,在擴展后期則趨于一致;較低試驗頻率下３００M 鋼在裂紋擴展前期的疲勞裂紋擴展速率比在較高頻率下的快.

關(guān)鍵詞:３００M 鋼;疲勞裂紋擴展;應力比;腐蝕疲勞

中圖分類號:TG１１５．５ 文獻標志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０６Ｇ００１７Ｇ０３;當AlN含量為１％~１５％時,復合材料較致密,當AlN 含量增加到２０％時,其組織疏松;隨著AlN 含量的增加,復合材料的顯微硬度和抗壓強度都呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢,摩擦因數(shù)和磨損量均先減小后增大,磨損機理由黏著磨損向磨粒磨損、剝落磨損依次轉(zhuǎn)變.

關(guān)鍵詞:銅基復合材料;AlN;放電等離子燒結(jié);摩擦磨損

中圖分類號:TB３３１　　　文獻標志碼:A　　　文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０３Ｇ００３９Ｇ０４

EffectofAlNContentonPropertiesofAlN/ZrＧCuComposite

XUJinＧpeng１,ZHANGXiuＧqing１,XUJinＧfu２,PU HaiＧzhou１,GULiangＧnan１,XUELingＧhua１

(１．SchoolofMaterialsScienceandEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai２００２３７,China;

２．SchoolofMaterialsScienceandEngineering,NingboUniversityofTechnology,Ningbo３１５０１６,China)

Abstract:AlN/ZrＧCucompositeswereprepared withraw materialsofCupowder,Zrpowderand AlNpowderby the spark plasma sintering method．The effects of AlN massfraction (１％ － ２０％)on the

micromorphology,mechanicalproperties,frictionandwearpropertyofthecompositewerestudied,andthewear

mechanism wasanalyzed．Theresultsshowthatfine AlN particlesdispersivelydistributedinthecopperalloy

matrix．WiththeAlN massfractionsof１％to１５％,thecompositeswererelativelydensewhilethemicrostructure

wasloose withthe AlN massfractionof２０％．Withtheincreaseof AlN content,the microＧhardnessand

compressivestrengthofthecompositespresentedatrendoffirstincreasingthendecreasing,whilethefriction

coefficientandabrasionlossfirstdecreasedthenincreased．Thewearmechanismchangedintheorderofadhesive

wear,abrasivewearandspallingwear．

Keywords:coppermatrixcomposite;AlN;sparkplasmasintering;frictionandwear

引 言

３００M 鋼是２０世紀６０年代由美國研發(fā)的一種低合金超高強度鋼,因具有良好的強度、塑性和抗疲勞性能而成為當今飛機起落架的首選材料[１].隨著飛機結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計理念的發(fā)展,斷裂韌性、疲勞裂紋擴展性能等也成為了評價飛機用材料性能的重要指標.文獻[２Ｇ６]研究了３０CrMnSiNi２A、GCＧ４、AerMet１００等超高強度鋼的疲勞裂紋擴展行為,討論了應力比、加載頻率、試驗環(huán)境、材料組織等因素對這些超高強度鋼疲勞裂紋擴展性能的影響;

;張國棟等[８]對３００M 鋼焊接接頭的疲勞斷裂制進行了研究.但有關(guān)３００M 鋼疲勞裂紋擴展行為的研究尚未見報道.

３００M 鋼的疲勞裂紋擴展速率反映了該鋼在標準條件下的抗疲勞裂紋擴展能力,是確定零件服役壽命 的 重 要 指 標. 因 此,作 者 在 不 同 條 件 下 對３００M 鋼進行了疲勞裂紋擴展速率試驗,分析了應力比、試驗環(huán)境、頻率等因素對中速(裂紋擴展速率da/dN 在１０－５~１０－３ mm??周次－１)擴展區(qū)疲勞裂紋擴展速率的影響,并用 Paris方程和 Walker方程

對中速擴展區(qū)曲線進行了擬合,為該鋼的應用與評價提供數(shù)據(jù)參考.

１ 試樣制備與試驗方法

試驗用材料為３００M 鋼棒,由撫順特鋼生產(chǎn),規(guī)格為?４００mm,退火態(tài).從３００M 鋼棒上切取材料,制成拉伸試樣、斷裂韌度試樣以及緊湊拉伸疲勞裂紋擴展試樣.拉伸試樣的尺寸為?１０mm×１１０mm,標距為５０ mm;斷裂韌度試樣的尺寸為 １５ mm×３０mm×１４０mm;緊湊拉伸疲勞裂紋擴展試樣的尺寸見圖１,厚度為２０mm,取樣方向為縱向.

圖２ 在不同條件下３００M 鋼試樣的da/dN 隨 ΔK 的變化曲線

Fig.２ Variationcurvesofda dN withΔKof３００Msteelsamplesunderdifferentconditions a airand b NaClＧwatersolution

Paris模型是應用廣闊的描述材料疲勞裂紋擴展規(guī)律的模型之一.將 Paris公式取對數(shù),得到其對數(shù)表達式為lg(da/dN)＝lgC ＋mlg(ΔK) (１)

式中:C,m 為材料常數(shù).

用式(１)對圖２數(shù)據(jù)進行線性擬合,得到不同條件下的擬合參數(shù),如表１所示.表中,r２ 為表示線性程度的相關(guān)系數(shù).由表１可以看出:兩種環(huán)境下的r２ 均高于０．９５,可見３００M 鋼的疲勞裂紋擴展速率與 Paris公式符合良好;空氣環(huán)境中的r２ 比 NaCl水溶液中的高,說明 NaCl水溶液中的疲勞裂紋擴展速率分散性相對較大.。