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1、精品论文30CrMo 的超声疲劳实验性能刘荣凤，陈沙古，王清远，王晓春 四川大学建筑与环境学院，成都 (610065) E-mail：liu_yushang摘要：超声加速疲劳实验是共振式的加速疲劳实验，试样需要满足和系统共振的条件。疲 劳实验用试样通过设计获得，狗骨形试样是常用的超声疲劳试样。本文用超声加速疲劳技术 研究了 30CrMo 的超声疲劳性能。试验获得了 30CrMo 的 SN 曲线，并呈现缓慢下降的趋 势。对 30CrMo 的高周和超高周疲劳断口进行了电镜扫描实验，结果发现，断口疲劳裂纹都 起源于试样表面或次表面，呈现出裂纹表面萌生机制和典型的裂纹放射状扩展方式。 关键词：超声疲劳
2、；30CrMo；S-N 曲线；表面萌生中图分类号:o3661. 引言超声疲劳实验实质是在被加载试件上建立机械谐振波的一种共振式的实验方法1,3,4。即 是以外加信号激励试件使试件发生谐振，在试件中生成谐振波，沿试件长度方向建立纵向位 移、应力-应变场，从而实现加载。疲劳损伤发展的各个阶段包括形核、裂纹萌生、微裂纹 增长(黑色光滑小平面，这一阶段可以认为是裂纹萌生与扩展之间的分界线) 、宏观裂纹的 稳定扩展、不稳定扩展以及最后的破坏。超声振动疲劳实验系统的主要组成包括1,4：（1） 超声频率发生器，提供激振电源和高频振动电信号；（2）换能器，将电信号转换为高频机械 振动；（3）变幅杆，放大（或缩
3、小）换能器输出的振幅；（4）试样，需满足谐振要求，由计 算设计获得；（5）计算机监控端，包括试验条件控制和振幅，频率及载荷周次循环计数采集 系统；（6）冷却装置,对高频振动的试样进行冷却降温。超声疲劳实验省时省钱，同时相比于常规疲劳实验，有时候能更实际地模拟研究材料的 工作环境，比如一些在高频、低幅下服役的部件，如发动机涡轮盘和叶片、汽车齿轮等2。30CrMo 合金结构钢主要在中型机械上用作主轴、齿轮等，如何提高其耐磨性，延长其寿命 是值得研究的一个课题。本文拟采用超声加速疲劳技术研究 30CrMo 的疲劳实验性能。2. 超声加速疲劳实验2.1 实验材料实验用 30CrMo 的化学成分(w%)
4、和力学性能如表 1 和表 2。CSiMnSPCrNiMo0.320.170.480.0350.0250.980.060.19 表 1 30CrMo 的化学成分(w%) 表 2 30CrMo 的力学性能弹性模量/GPa屈服强度/MPa抗拉强度/MPa密度/g.cm-32107949807.8超声加速疲劳实验是共振式的加速疲劳实验，试样需要满足和系统共振的条件。试样设计成狗骨形，先确定 L1 ， R1 ， R2 ，然后可以算出谐振长度 L2 以及加工时的圆弧半径 R0 ， 图 1 所示。谐振长度与材料的弹性模量和密度有关，关系式为1,3- 4 -11 2 k 2 L2 = k arctan k t
5、anh( L ) 12 2tanh( k L1 ) 其中 k = 2 f / E , = arccos h(R2 / R1 ) / L1 ，且弹性模量 E ，密度 ，试验系统频率 f 。最大应力和振幅关系满足/ U = E 2 k 2 cos(kL ) cosh( L ) / sinh( 2 k 2 L ) 。其中本max 0 2 1 1次超声疲劳实验( f = 20KHz )试样按下列尺寸加工：L1 = 20mm ，R1 = 1.5mm ，R2 = 5mm ，计算值 L2 = 10mm ，R0 = 58.9mm 。图 1 狗骨形试样2.2 实验过程试样加工后，在超声疲劳实验之前还需要对试样进
6、行打磨，抛光处理6。先用不同型号 的金相砂纸沿轴向打磨试样表面，打磨用砂纸由粗到细，再用抛光膏打磨抛光，保证试样表 面的光洁。本次实验在四川大学超声疲劳实验机上进行，系统共振频率为 20KHz，载荷比 为-1 的循环拉压施载。在高频振动过程中，试样由于吸收超声振动能量和内部的摩擦生热， 会产生升温现象，采用的冷却方式是压缩冷凝空气冷却。试样断裂后，失去共振条件试验系 统自动停止，也可人为的操控试验的暂停或停止。3. 结果分析3.1 S-N 曲线图 2 给出了 30CrMo 的 S-N 曲线，带箭头的数据点表示试样仍未发生断裂。由 30CrMo 的疲劳寿命曲线可见，并不存在传统意义上的疲劳极限，
7、循环周次在 107 以上也会发生断裂 破坏。实验载荷循环达十亿周次以上。可以看出，30CrMo 的疲劳寿命曲线呈连续下降的趋 势，先是在高周阶段的快速下降，而后进入缓慢下降的超高周阶段。图 2 30CrMo 的 S-N 曲线3.2 疲劳断口对断裂的 30CrMo 试样进行扫描电镜试验，观察疲劳断口形貌，分析裂纹源，裂纹扩展 以及瞬断的微观情况。电镜扫描试验前先用酒精和超声清洗器对试样断口进行超声清洗，以 达到除去断口残留金属屑和灰尘，颗粒的目的。电镜实验发现，30CrMo 疲劳断裂裂纹都起 源于表面或次表面夹杂处，图 3,图 4 所示，呈现裂纹表面萌生机制 1,4,7,8。并没有观察到裂 纹内
8、部萌生的迹象，这可能是材料本身的表面敏感减少了裂纹内部萌生机制发生的倾向。图5 为典型的 30CrMo 疲劳裂纹扩展情况，疲劳裂纹从裂纹源处放射状散开扩展开来。图 3 疲劳裂纹表面夹杂处萌生图 4 疲劳裂纹表面萌生4. 结论图 5 典型疲劳裂纹放射状扩展超声振动疲劳试验获得了 30CrMo 的 S-N 曲线，并呈连续下降趋势，超高周寿命阶段下降速率平缓。同时，通过对疲劳断口的电镜扫描试验发现，30CrMo 的疲劳裂纹都从表面或 次表面萌生，由裂纹萌生处向周边放射状扩展是 30CrMo 的典型疲劳裂纹扩展方式。参考文献1王清远.超声加速疲劳实验研究J.四川大学学报,2002,34(3):006-
9、011.2 邵红红 等. 表面处理对 40CrNiMo 钢超声疲劳寿命的影响J.材料热处理学报,2006,27(4):65-68. 3薛红前.超声疲劳试样设计J.航空学报,2004,25(4):425-428.4WANG Qing-yuan. Gigacycle Fatigue Of Ultra-High Strength SteelsJ. Journal of Mechanical Strength,2002,24(1):081083.5Q.Y.WANG,J.Y.BERARD.Gigacycle fatigue of ferrous alloysJ.Fatigue Fract Engng M
10、ater Struct 22, 667672. 6 曹小建 等 . 生理盐 水浸 泡对 Ti-6Al-4V 钛合金超 高周疲劳性 能的影响 J. 西南科技大 学学 报,2007,22(2):5-8.7鲁连涛 等.金属材料超高周疲劳研究综述J.机械强度,2005,27(3):388-394.8Wang Q Y,Berard J Y,Bathias C. High cycle fatigue initiation and propagation behavior of high-strength spring steel wiresJ.International Journal of Fatigu
11、e,2001,23.Study on the ultrasonic fatigue test of 30CrMoLIU Rong-feng, CHEN Sha-gu, WANG Qing-yuan, WANG Xiao-chunCollege of Architecture and Environm ent, S ichuan University, Chengdu Sichuan (610065)AbstractThe core of the ultrasonic fatigue test is resonance. The ultrasonic fatigue test method ha
12、s been used toinvestigate the very high cycle fatigue properties of 30CrMo.The dog-bone shape specimen has been uesd usually in the ultrasonic fatigue test.The results show that the S-N curve of 30CrMo showed a slow-decline shape and subsurface crack initiation.The crack expanding is actinomorphic form.Keywaords: ultrasonic fatigue; 30CrMo; S-N curve; subsurface crack initiation作者简介：刘荣凤（1983），女，固体力学硕士。
