超声疲劳试验方法对S06钢疲劳性能及裂纹萌生机制的影响.pdf

　２６　　　材料工程／２０１１年２期　超声疲劳试验方法　　裂纹萌生机制的影　　对Ｓ０６钢疲劳性能及　响　　　　　　　　　ＥｆｆｅｃｔｏｆＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＦａｔｉｇｕｅＴｅｓｔｉｎｇＭｅｔｈｏｄｏｎＦａｔｉｇｕｅ　　　　　　　　　　ＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄＣｒａｃｋＩｎｉｔｉａｔｉｏｎＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＳ０６Ｓｔｅｅｌ‘　　　　胡燕慧，钟群鹏，张峥，韩邦成　　　　　　　　（北京航空航天大学，北京１００１９１）　—　—　　—　ＨＵＹａｎｈｕｉ。ＺＨＯＮＧＱｕｎｐｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＺｈｅｎｇ，ＨＡＮＢａｎｇｃｈｅｎｇ　　　（ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　　摘要：采用超声疲劳试验方法和试样尺寸相近的高频疲劳试验方法对Ｓ０６钢进行疲劳性能试验，将试验数据和试样断　　　　　　　　　　　口形貌进行对比，研究超声疲劳试验方法对Ｓ０６钢疲劳性能和裂纹萌生机制的影响。结果表明：在相同的应力水平下，　　　　　　　　　　　超声加载频率下Ｓ０６钢的疲劳寿命高于高频疲劳试验测得的疲劳寿命；超声疲劳试验中裂纹全部从表面萌生，而高频疲　　　　　　　　　　　　　　　　　劳试样裂纹有表面萌生和内部萌生两种机制。分析了超声加载频率对Ｓ０６钢疲劳性能和裂纹萌生机制产生影响的原　　　　　　　因：对疲劳性能的影响与金属材料的晶体结构和裂纹尖端的化学反应有关，对裂纹萌生机制的影响与试样表层残余应力　　　　松弛有关。　　　　　　　关键词：Ｓ０６钢；超声疲劳试验方法；疲劳裂纹萌生；疲劳寿命；疲劳机理　　中图分类号：０３４６．２　　文献标识码：Ａ　——　文章编号：１ｏ０ｌ＿４３８１（２０１１）０２００２６０５　　　　　　　　　　　　　—　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｆａｔｉｇｕｅｍｅｔｈｏｄｏｎｆａｔｉｇｕｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｉｎｉｔｉａｔｉｏｎｍｅｃｈ　　　　　　　　　　　　　　　　　　ａｎｉｓｍ，ｆａｔｉｇｕｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＳ０６ｓｔｅｅｌｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅａｎｄｈｉｇｈ　　　　　　　　　　　　—　—　ｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ．Ｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｆａｔｉｇｕｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓｉｓｌｏｎｇｅｒｔｈａｎｈｉｇｈｃｙｃｌｅｆａ　　　　　　　　　　　　　　　　—　ｔｉｇｕｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓ，ａｎｄｉｔｍａｙｂｅａｔｔｒｉｂｕｔｅｄｔｏｂ．Ｃ．ｅ．ｃｒｙｓｔａｌｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＳ０６ｓｔｅｅｌａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｒｅａｃ　　　　　　　　　　　　　　　　ｔｉｏｎａｔｃｒａｃｋｔｉｐ．Ｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｓｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｆａｔｉｇｕｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓｏｒｉｇｉｎａｔｅｆｒｏｍｓｕｒｆａｃｅａｎｄｃｒａｃｋｓｏｆ—　　　　　　　　　　　　　ｈｉｇｈｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓｏｒｉｇｉｎａｔｅｆｒｏｍｂｏｔｈｓｕｒｆａｃｅａｎｄｉｎｔｅｒｉｏｒ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｆａｔｉｇｕｅ　　　　　　　　　　　　　　—　ｍｅｔｈｏｄｏｎｉｎｉｔｉａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｍａｙｂｅａｔｔｒｉｂｕｔｅｄｔｏｌｏｏｓｅｎｅｓｓｏｆｓｕｒｆａｃｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｄｕｒｉｎｇｕｌｔｒａ　　　ｓｏｎｉｃｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｉｎｇ．　　　　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓ０６ｓｔｅｅｌ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ；ｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ；ｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅ；ｆａｔｉｇｕｅ　　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　　　　　　　　　　　　随着工业技术的发展，许多疲劳构件的设计寿命　　　　　　“　　　　　　达到１０周次以上，美国空军发动机结构完整性大纲　　　　”　　（ＥｎｇｉｎｅＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＩｎｔｅｇｒｉｔｙＰｒｏｇｒａｍ，ＥＮＳＩＰ）已经　“　增加了条例，规定发动机部件高周疲劳寿命最低应达　　　”　　　　　　　　　　　　　到１Ｏ。周次。因此金属材料１０周次之后的超高周　次疲劳性能研究也越来越受重视。超声疲劳试验方法　　　　　　　是一种加速共振式的疲劳试验方法，加载频率高达　　　２０ｋＨｚ，是进行超高周疲劳研究最有效的手段］。但　　是，由于超声疲劳试验中试样加载频率远远超过一般　　　　　　　　　　　的疲劳试验方法，而且试样处于一阶共振状态，因此可　能对材料疲劳性能造成影响。在将超声疲劳试样结果　应用于工程构件疲劳设计及用超声疲劳试验方法对疲　　劳断裂机制进行研究时，必须考虑这些影响。本工作　　　　　　　　　　　　　　　　采用超声疲劳试验方法和高频疲劳试验方法，对Ｓ０６　　钢长寿命疲劳性能进行测定，通过比较来研究超声疲　　　　　　　　　　　　劳试验方法对Ｓ０６钢疲劳性能特别是对疲劳断裂机制　　　的影响。　　　　　　１实验材料　　　　　　Ｓ０６钢是一种新型高强度沉淀硬化马氏体不锈　　　钢，广泛用于高压液氧泵、高压燃气发生器和高压液氧　　　导管等重要零部件，近年来开始用于航空航天领域疲　　　　　　劳构件的制造。本研究所用的Ｓ０６钢取自锻造棒材，　　　　　　　　　　　化学成分为（质量分数／）：０．０６６Ｃ，０．００４３Ｐ，　　　　０．００６５Ｓ，５．４５Ｎｉ，０．７９Ｗ，０．１８Ｖ，０．８１Ｍｏ，１４．９７Ｃｒ，　　　　℃　　　　℃　　０．１５Ｎｂ。热处理制度为１０００ｌｈ＋空冷４－４８０１ｈ，　　　　热处理后的组织主要为板条状回火马氏体，如图１所