42CrMo钢疲劳裂纹扩展剩余寿命评估_张国胜

1
1.1
试验设备及试验方法
疲劳试验设备及过程
试验材料选用与平地机用双排链轮轴材质相同 的 42CrMo 钢， 组织为回火索氏体和少量的针状马氏 体。采用 HMV-2 型显微硬度仪测得显微硬度平均 值 HV10 为 309.8。拉伸试验测得 42CrMo 钢的抗拉 屈服强度为 945 MPa， 弹性模量为 强度为 1 030 MPa， 213 GPa。以 PLG-200C 型高频三点弯曲疲劳试验机 为平台进行裂纹扩展寿命试验。 采用 AD413ZT 型显 微成像测试系统对裂纹扩展情况进行在线实时采集 设定加载频率为 120 Hz， 疲劳载荷类型 和精确测量。 为等幅交变载荷， 波形为正弦波。 为使显微成像测试
（1. 天津工程机械研究院再制造与工艺材料研究所， 天津 300409； 2. 天津职业大学， 天津 300410 ）
摘 要 ：以高频三点弯曲疲劳试验机为平台， 进行 42CrMo 钢疲劳裂纹扩展试验研究， 通过建立裂纹扩展剩余寿命评估
使 模型， 实现对存在裂纹的工程机械零部件剩余寿命的评估。采用显微成像测试系统实时采集并测量疲劳扩展裂纹， 用声发射系统监测整个疲劳裂纹扩展过程。结果表明： 声发射幅值、 能量等特征参数可以实时反应疲劳裂纹萌生、 稳定 扩展和失稳扩展等各个损伤阶段， 并在疲劳断裂时产生急剧的突变； 裂纹扩展速率的对数值与应力强度因子幅的对数 值具有较高的线性相关性， 建立了不同应力工况条件下裂纹扩展剩余寿命评估模型， 以双排链轮轴为例进行裂纹扩展 剩余寿命评估； 随着疲劳应力的增加， 裂纹扩展剩余寿命减小。
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中国测试
2014 年 11 月
全断裂的寿命称为裂纹扩展寿命。 Liu Y M 等[6]通过 等效初始裂纹大小的方法， 将裂纹扩展阶段的疲劳 寿命预测模型应用到裂纹萌生阶段， 得到统一的裂 纹萌生和扩展阶段的疲劳寿命预测模型。随着断裂 力学的发展和电子显微镜的应用， 采用裂纹扩展表 达式来预测构件剩余疲劳寿命的研究得到了快速发 展。近年来， 随着计算机技术和数值模拟方法的迅猛 发展， 实现了在计算机虚拟环境下对疲劳寿命进行 预测。Luo R K 和 Gabbitas B L 等[7-8]最早提出利用 有限元疲劳设计方法对地铁车辆转向架的疲劳寿 命进行估算 。 王成国等[9]在计算机虚拟环境下， 以计 算机辅助设计、有限元法和多体系统动力学分析为 ） 完成实际构 基础， 应用疲劳分析软件 （MSC.Fatigue 件的疲劳寿命预测。随着先进在线无损检测方法的 出现， 基于过程数据和性能衰退的疲劳寿命评估逐 渐被应用。邓聚龙[10]创立了灰色系统理论， 该理论主 要用于研究少数据、 贫信息的不确定性问题。石常亮[11] 通过静载拉伸试验和拉-拉疲劳试验， 验证磁记忆信 号为表征疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命的预测 模型的适用性的特征参量。声发射技术是近几年快 速发展起来的一种高灵敏度在线无损检测技术， 采 样频率高， 可以大幅提高信噪比， 对疲劳裂纹的存在 状态具有真实性和实时性反馈的特点[12]。 目前声发射 技术越来越多地应用于疲劳裂纹萌生和扩展过程监 测及疲劳寿命评估的应用研究[13-14]。 裂纹稳定扩展是 裂 纹 扩 展 的 最 主 要 阶 段 ， 扩 展持续时间较长， 因此裂纹扩展寿命评估主要是基于 裂纹稳定扩展阶段进行。本文以三点弯曲疲劳试验 机为平台， 进行了双排链轮轴用 42CrMo 高强度合金 钢裂纹扩展试验， 采用显微成像测试系统在线实时采 集和测量裂纹扩展尺寸， 建立裂纹扩展寿命剩余评 估模型， 实现对不同应力工况条件下 42CrMo 钢的剩 余寿命评估。
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ห้องสมุดไป่ตู้
引
言
在工程机械零部件实际使用过程中， 不可能没 有任何裂纹缺陷存在， 对含有裂纹缺陷的再制造毛 坯剩余寿命进行正确预估， 并密切关注其扩展状态
收稿日期 ：2014-01-09 ； 收到修改稿日期 ：2014-03-04 基金项目 “ ： 十二五” 国家科技支撑计划 （2011BAF11B08 ） 作 者 简 介： 张国胜 （1963-） ， 男， 副总工程师， 主要从事工程
第 40 卷第 6 期 2014 年 11 月
中国测试 CHINA MEASUREMENT & TEST
Vol.40 No.6 November， 2014 doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.033
42CrMo 钢疲劳裂纹扩展剩余寿命评估
张国胜 1， 张志强 1， 刘艳芳 1， 高素梅 2
第 40 卷第 6 期
张国胜等： 42CrMo 钢疲劳裂纹扩展剩余寿命评估
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140 128 0.08 A-B 8
30 °
其余
1.6 16 A
x=64mm， 试样高度 W=32mm， 试样厚度 B=16mm， 将拉 伸试验测得的力学性能数据带入以上各式， 可以得出
系统能更清晰地监测裂纹的萌生和扩展过程， 分别 # # 采用 400 和 800 的砂纸打磨观察试样疲劳裂纹的 两个端面， 然后用酒精清洗， 并用吹风机脱水。然后 将试样安装在三点弯曲试验台上， 施加平均载荷使其 达到额定值并趋于稳定。采用美国物理声学公司生 产的 PCI-4 声发射系统在线实时监测疲劳裂纹的萌 生和扩展过程 。将两个声发射传感器分别布置于距 离试样端面 20 mm 处， 并采用磁性夹具固定。传感器 和试件之间涂有真空脂， 目的是减少声发射信号在 传感器和试样界面处过度散射和衰减。 通过 MS32W 型台架将显微成像系统的镜头置于距被测试样合适 的位置， 设定 20 × 放大倍数， 调整好焦距， 图片采集 时间间隔设置为 5 s， 即可对裂纹尺寸进行在线观察、 采集、 测量和计算。 之后， 施加动载荷， 启动显微成像 系统和声发射系统， 并开始采集裂纹萌生和扩展图 像以及整个试验过程中的声发射信号， 在 42CrMo 钢承 动载为 5.5 kN， 应力比为 0.12 时研究 受静载为 7 kN， 在线采集到的不同扩展阶段裂纹， 可以实现对扩展裂 纹较为精确的测量。当裂纹快速扩展到极限并明显 试验 张开时， 动载荷加载频率将急剧下降到 85.5 Hz， 机自动停机， 同时声发射信号特征参数， 如幅值 、 能 量等产生突变。声发射信号可以实时监测疲劳裂纹 萌生、 稳定扩展、 失稳扩展直至断裂等各个阶段。 为保 证试验数据的可靠性， 每种载荷条件下进行 3 组相 同水平的试验。 1.2 试验最大载荷的确定 采用如图 1 所示的预制裂纹缺口试样。疲劳载 荷设置应该合理， 过大会使试样直接整体进入屈服 和塑性变形状态， 导致缺口根部快速开裂。因此， 试 验最大载荷的设定非常关键， 要保证试样处于低载荷 的高周疲劳状态， 使缺口前缘处于平面应变和小范 围屈服条件， 而试样整体处于弹性范围。试验最大载荷 需要根据有限元法并结合力学模型来计算。根据三点弯 曲试样最大应力 σmax 发生在缺口根部： σmax = Ktσn （1 ） Kt —— —应力集中系数； 式中： σn — ——同一横截面上的名义应力。 由于试样缺口根部圆弧钝化， 加上三点弯曲试 样较厚， 一定程度上降低了缺口的应力集中系数， 经有限元软件计算 Kt=5.71。由于过缺口净截面上应 力分布非均匀， 因此选择缺口根部 σmax 为试验机疲劳 载荷设定的参照值。即有： σmax = Ktσn = Kt Mn （2 ） Wn 式中： Mn —— —弯矩；
表面工程、 装备再制造等研究。 机械、
非常重要[1-2]。Paris P C 等[3]首次在大量试验基础上 提出著名的 Paris 公式来表征疲劳裂纹扩展规律， 这 使疲劳裂纹扩展寿命预测得到快速发展。为了表征 不同应力条件下疲劳寿命的分布规律， Miner M A [4] 提出线性疲劳累积损伤理论， 也就是 Palmgren-Miner 理论。Duggan[5]对疲劳寿命赋予更明确的含义， 指出 实际构件在出现某一指定工程裂纹以前的寿命称 为裂纹萌生寿命， 从工程裂纹扩展至临界裂纹或完
ZHANG Guo-sheng1，ZHANG Zhi-qiang1，LIU Yan-fang1，GAO Su-mei2 （1. Tianjin Research Institute of Construction Machinery， Institute of Remanufacture and Processing Material， Tianjin 300409， China； 2. Tianjin Vocational Institute， Tianjin 300410， China ） Abstract: Fatigue crack growth of 42CrMo steel was experimentally researched on high frequency three -point bending fatigue tester. In order to complete life evaluation of construction machinery parts， the residual life evaluation model of crack growth was established. Fatigue growth crack was collected and measured by the microscopic imaging testing system. The process of fatigue crack growth was monitored by the acoustic emission system. The results show that fatigue damage at all stages， i.e.， crack initiation， stable growth and unstable growth， could be real -time reflected by the acoustic emission characteristic parameters， such as amplitude and energy. And the acoustic emission characteristic parameters generated a sharp rise at the stage of fatigue fracture. It was higher linear correlation between the logarithm value of crack growth rate and that of stress intensity factor range. Residual life evaluation model of crack growth was established under different stress conditions. Take double chain wheel for example，the residual life evaluation of crack growth was finished. With the increase of fatigue stress，the residual life of crack growth was reduced. Keywords: fatigue；crack growth；residual life evaluation；acoustic emission monitoring