高强度钢超高周疲劳特性试验研究

高强度钢超高周疲劳特性试验研究

大连海事大学　李治彬　姜　华

黑龙江船检局　邵长青

摘要　该文介绍了以20kH z 超声波振动疲劳试验机对三组55SC7高强度钢试材作超高周疲劳

特性试验研究。试验结果表明:在高周区及超高周区S 2N 曲线呈下降趋势,与传统假设完全不一;

疲劳强度并不随其硬度(H v )及弹性极限(σb )的提高而提高;疲劳裂纹萌生于试件内部,主要由硫化物和钙化物等杂质所致。

关键词　材料性能　高强度钢　超声波振动　试验研究

作者简介:李治彬,男,1950年生,教授,巴黎C NAM 博士研究生。

1　前　言

在航空、航天、汽车及造船等工程领域内,以往

人们主要考虑和研究材料低周疲劳强度(小于106周),而对于高周(大于106周)疲劳强度的确定,一般只采取某处假设与近似方法。传统的假设认为高周疲劳强度是不变的,即认为材料的应力与寿命曲线(S —N 曲线)在高周区呈水平线,大于106周的疲劳强度与106周的疲劳强度是一样,试件在高周寿命区不会出现破坏。

这主要是因为一般的疲劳试验机,要进行高周疲劳试验研究是根本不可能的。一个30H z 的疲劳试验机,要完成一个试件的1010周的疲劳试验需11年;要进行一组几十个试件的试验需几百年时间。

然而,本文介绍了采用20kH z 的超声波振动疲劳试验机后,一个试件的疲劳寿命试验,106周不到一分钟,109周需15小时,达到1010周只需6天时间。而从试验结果的S 2N 曲线看,曲线在106周并没有明显变化,直到1010周后曲线并没有变成水平渐近线,而是呈下降趋势,试件依然折断。这说明与传统的假说完全不同。

2　疲劳试验

2.1　试验设备

图1为20kH z 超声波振动疲劳试验机。该试验

机的原理主要是由压电发生器产生20kH z 的振动,并为转换器提供一个正弦波的振动源,转换器将电波转换成机械振动,再由一个放大器将机械振动位

移放大,试件被连接在放大器上并与放大器一起产生一个20kH z 的共振。经计算,可算出位移与应力之间的关系,并可以通过计算机算出给定位移的相应应力值,从而可得到每个试件的疲劳周数与应力值的关系曲线(S 2N 曲线)

。

图1　试验系统

2.2　试件尺寸与形状

试件尺寸与形状如图2所示

。

图2　试件几何形状及尺寸

试件必须设计成:其自振频率为20kH z ,试件中心区域为0≤x ≤L 2,试件尺寸(mm )R 0=31、R 1=1.

25、R 2=3.25、L 2=10.95、L =41.2,弹性模量E d =

2001年 船 舶 工 程 第2期

2.1×1011

Pa 及密度ρ=7850kg/m 3

。应力与位移关

系式为[2]:

σmax (x )=25.068U 0

(1)

2.3　材料

试材为法国产用作汽车弹簧的高强度55S C7钢,其机械性能及化学成份如表1、表2所列。

表1　机械性能

试件组别

H V σb (MPa )

A 5001800

B 5901800C

602

2002

表2　化学成份w (b)%

组别

C

Si

S P Al

Cr Ti

Ni

Mn A ,B 0.5～0.58 1.2～1.60.04

max 0.035max 0.6～0.8

0.6～0.8

C

0.56 1.53

0.14

0.12

0.030.690.160.01

2.4　试验条件

采用20kH z 超声波振动疲劳试验机,应力对称系数R =-1;在空气室温,大约20℃下进行;试件用高压空气冷却,约为70℃,试件用500#

、1200#

、2400#、4000#砂纸一步步作抛光处理,载荷为拉

(压)力。

3　结果与讨论

3.1　温度影响

由于采用20kH z 超声波疲劳试验机作疲劳试验,试件很容易发热,尤其是在高应力作用下时,如

果不采取冷却手段,试件会瞬间折断,否则也会影响试验结果

。

要避免高温影响,须注意两方面问题:一是试件形状和尺寸,因为试件的位移越大越容易发热。试件设计得较好,即使较大的载荷,也仅有较小的位移,试件就不容易发热;二是一旦发热,应用冷水或高压气冷却。图3是A 组中的一个试件载荷由300MPa 加到520MPa 过程中所得到应力与温度变化曲线。可以看出,试件的温度随载荷的增加而增加。载荷较小时,温度随载荷而缓慢增加;载荷较大时,温度随载荷而急剧增加,试件会很快折断。因此,载荷较大时,必须注意试件的温度。图3　试件的温度变化曲线

3.2　三组高强度钢55SC7的S 2N 曲线

三组试件试验结果得出的应力—寿命(S 2N )曲线如图4所示。

图4　三组高强度钢55SC7的S 2N 曲线

从图4的S 2N 曲线可以看出:高周区(大于106

周次),三条曲线并没有呈水平渐近线,而是继续下

降。这表明,以106周处的疲劳强度作为高周区的疲劳强度,其误差太大,不合理。

从图4的S 2N 曲线可看出硬度H v 及弹性极限(σb )对疲劳强度的影响:在低周区,硬度(H v )及弹性

极限(σb )值越大,其疲劳强度越高;在高周区,曲线

A 与曲线C 比较,硬度(H v )及弹性极限(σb )值越大,

其疲劳强度越高;曲线B 与曲线C 比较,硬度(H v )

及弹性极限(σb )值越大,其疲劳强度越低。这一结果显示,在高周区,疲劳强度不一定遵照疲劳强度随

参数硬度(H v )及弹性极限(σb )提高而提高。

3.3　微观分析及化学分析

借助扫描电子显微镜,微观分析试件断面时发现:在低周区,构件表面有疲劳裂纹萌生(如图5所示),其主要是试件表面缺陷(杂质、空洞)所致;在高周区,所有试件内部有疲劳裂纹萌生(如图6所示),其主要是试件内部杂质所致,图7便是其中一个试件疲劳裂纹中心处化学分析的波谱,表明有一硫化物和钙化物的杂质;在105～107周区,有的试件疲劳裂纹在表面,有的试件疲劳裂纹在内部,把这一区间称为过渡区。

4　结　论

用超声波疲劳试验机对高强度钢55SC7作疲劳试验所得S 2N 疲劳曲线可看出:

试件在高周疲劳区,S 2N 曲线继续呈下降趋势,

・

36・