合金元素mo对材料超高周疲劳性能的影响

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1、中国材料科技与设备(双月刊)合金元素Mo对材料超高周疲劳性能的影响2009年·第5期合金元素Mo对材料超高周疲劳性能的影响张真源，常颖(四川建筑职业技术学院，四川德阳618000)摘要：采用超声疲劳试验技术对42CrMo钢超高周疲劳性能进行了研究。将42CrMo钢超高周疲劳S-N曲线与已有文献中40Cr钢在相同试验方法和试验条件下得到的超高周疲劳N曲线进行比较，结果显示42CrMo钢超高周疲劳性能优于40Cr钢。通过分析推测，合金元素Mo增加了疲劳裂纹内部萌生的时间，进而提高了材料超高周疲劳的寿命。关键词：超高周疲劳；S-N曲线；42CrMo钢中

2、图分类号iTF125．1+2文献标识码：A0引言近年来，随着机械设备向大型化发展，许多机械构件承受的荷载循环周次高达1O以上，这对机械设备的疲劳寿命提出了更高的要求。如何有效地提高机械材料的超高周疲劳性能，防止材料发生超高周疲劳破坏是目前尚待研究的一图142CrMo钢超声疲劳试样个课题。Fig．142CrMosteelultrasonicfatiguespecimen作者用超声疲劳试验方法测试了42CrMo钢光滑试样中采用水冷方式，使试样表面温度与室温相当。在1O～1O”周次范围内的疲劳寿命(S-N)曲线，研究了42CrMo钢在高周和超高周范围内

3、的疲劳性能。通过与2试验结果及分析40Cr钢超高周疲劳性能l_1]进行比较，发现合金元素Mo是提高材料超高周疲劳性能的主要原因。进而为加入Mo及2．1超高周疲劳N曲线其他合金元素来提高材料超高周疲劳性能的方法提供了现42CrMo钢光滑试样超声疲劳(f一20kHz，R一一1)载荷实依据。下10～1O周次范围内的疲劳寿命(S-N)曲线如图2所示，试样制备及试验方法击罨1．1试样制备罂42CrMo钢超声疲劳对称拉压试样几何形状如图1所示，位移应力放大系数为26．16MPa／um，其中42CrMo钢的动态弹性模量用静弹性模量E一212GPa代替，密度=7

4、850kg／m3，根据试样尺寸解析计算结果，再用Ansys有限循环数Nf元动态分析程序，对其振动模态和固有谐振频率进行校核，图242CrMo钢超高周疲劳s—N曲线最终试样几何尺寸为Rl；1．5mm，R2—5mm，=31mm，LFig．2TheS—Ncurveof42CrMo一31．1inin，L1—14．3mm，L2—16．8mm，其固有谐振频率为19．98kHz，满足超声疲劳试验的要求。试样加工时首先沿42CrMo钢在1O一1O循环周次范围内为单一下降趋轴线方向铣出圆弧段，再用砂轮打磨试样表面，使试样表面势，在106-10。周次范围内，并没有出

5、现连续下降的趋势，而的光洁度达到7～8，再用800#，1000#，1200#，2000是出现了一个应力平台，平台应力一570MPa，循环周次#金相砂纸打磨试样表面，去除加工刀痕。最后试样表面光超过1O。以后呈二次下降趋势，试样仍然发生疲劳断裂。洁度达到8。2．2疲劳断口分析1．2试验方法用(JSM-5900LV)型扫描电镜对疲劳断裂试样断口进行超声疲劳试验载荷为轴向拉压对称循环载荷，应力比R扫描电镜显微分析，观察42CrMo钢10～1O周次范围内=一1，谐振频率f：20kHz，频率误差为-+-0．5KHz。试样共断裂的光滑试样断口，如图3所示，在

6、1O循环周次以下断振时，由于吸收超声振动能量和内部的摩擦，会产生升温现裂的试样，疲劳裂纹多在试样表面萌生；在1o循环周次以象，试验超声振动能量和内部的摩擦，会产生升温现象，试验*作者简介：张真~(1980一)，男，助教，主要从事结构钢超高周疲劳性能方面的研究。电话：13108219933，E-mail：zzyzkkzzyzkk@163．com2009年·第5期技术与研究中国材料科技与设备(双月刊)上断裂的试样，疲劳裂纹多在试样次表面萌生。存在一个高含量的氢的富集区(ODA)富集区(ODA)的大小与循环周次有关。日本研究者也发现l_3]ODA的形成

7、与氢有关，把疲劳裂纹的内部萌生看作是一种氢致开裂，实质为由于应力应变场的作用，氢原子向夹杂周围富集，然后结合成氢分子，增大了空位体积，也破坏了金属间离子键的结合力，降低了基体的强度，从而导致裂纹的萌生，最后开裂。而文献[4，5]中通过能谱分析发现在夹杂周围存在c，0，N元素的富集，所以把H，C，O，N原子作为点缺陷，而把固溶在基体中的Mo原子作为捕获点缺陷的陷阱，通过对H，C，O，N(a)o=~652MPa，Ⅳ，=2．25~10稠次原子的捕捉，延缓H，C，O，N原子向裂纹尖端富集的速率，增加了疲劳裂纹内部萌生的时间，提高了材料超高周疲劳的寿命。(

8、b)％=~32IMPa，N=2．88~l08周次图3试样疲劳断ElSEM形貌Fig．3Observationoffatiguesurfa