分享：不同条件下３００M 钢的疲劳裂纹扩展行为

摘 要:对３００M 钢在空气和质量分数３．５％NaCl水溶液中分别进行了疲劳裂纹扩展速率试验,得到了其疲劳裂纹扩展速率Ｇ应力强度因子范围曲线,并分别利用 Paris公式和 Walker公式对曲线进行了拟合;分析了应力比、腐蚀环境、频率对疲劳裂纹扩展速率的影响.结果表明:３００M 钢的疲劳裂纹扩展速率随应力比的增加而增大;在相同应力比下,３００M 钢在 NaCl水溶液中的疲劳裂纹扩展速率在裂纹扩展前期比在空气中的快,在扩展后期则趋于一致;较低试验频率下３００M 钢在裂纹扩展前期的疲劳裂纹扩展速率比在较高频率下的快.

关键词:３００M 钢;疲劳裂纹扩展;应力比;腐蚀疲劳

中图分类号:TG１１５．５ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０６Ｇ００１７Ｇ０３;当AlN含量为１％~１５％时,复合材料较致密,当AlN 含量增加到２０％时,其组织疏松;随着AlN 含量的增加,复合材料的显微硬度和抗压强度都呈现出先增大后减小的变化趋势,摩擦因数和磨损量均先减小后增大,磨损机理由黏着磨损向磨粒磨损、剥落磨损依次转变.

关键词:铜基复合材料;AlN;放电等离子烧结;摩擦磨损

中图分类号:TB３３１　　　文献标志码:A　　　文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０３Ｇ００３９Ｇ０４

EffectofAlNContentonPropertiesofAlN/ZrＧCuComposite

XUJinＧpeng１,ZHANGXiuＧqing１,XUJinＧfu２,PU HaiＧzhou１,GULiangＧnan１,XUELingＧhua１

(１．SchoolofMaterialsScienceandEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai２００２３７,China;

２．SchoolofMaterialsScienceandEngineering,NingboUniversityofTechnology,Ningbo３１５０１６,China)

Abstract:AlN/ZrＧCucompositeswereprepared withraw materialsofCupowder,Zrpowderand AlNpowderby the spark plasma sintering method．The effects of AlN massfraction (１％ － ２０％)on the

micromorphology,mechanicalproperties,frictionandwearpropertyofthecompositewerestudied,andthewear

mechanism wasanalyzed．Theresultsshowthatfine AlN particlesdispersivelydistributedinthecopperalloy

matrix．WiththeAlN massfractionsof１％to１５％,thecompositeswererelativelydensewhilethemicrostructure

wasloose withthe AlN massfractionof２０％．Withtheincreaseof AlN content,the microＧhardnessand

compressivestrengthofthecompositespresentedatrendoffirstincreasingthendecreasing,whilethefriction

coefficientandabrasionlossfirstdecreasedthenincreased．Thewearmechanismchangedintheorderofadhesive

wear,abrasivewearandspallingwear．

Keywords:coppermatrixcomposite;AlN;sparkplasmasintering;frictionandwear

引 言

３００M 钢是２０世纪６０年代由美国研发的一种低合金超高强度钢,因具有良好的强度、塑性和抗疲劳性能而成为当今飞机起落架的首选材料[１].随着飞机结构损伤容限设计理念的发展,断裂韧性、疲劳裂纹扩展性能等也成为了评价飞机用材料性能的重要指标.文献[２Ｇ６]研究了３０CrMnSiNi２A、GCＧ４、AerMet１００等超高强度钢的疲劳裂纹扩展行为,讨论了应力比、加载频率、试验环境、材料组织等因素对这些超高强度钢疲劳裂纹扩展性能的影响;

;张国栋等[８]对３００M 钢焊接接头的疲劳断裂制进行了研究.但有关３００M 钢疲劳裂纹扩展行为的研究尚未见报道.

３００M 钢的疲劳裂纹扩展速率反映了该钢在标准条件下的抗疲劳裂纹扩展能力,是确定零件服役寿命 的 重 要 指 标. 因 此,作 者 在 不 同 条 件 下 对３００M 钢进行了疲劳裂纹扩展速率试验,分析了应力比、试验环境、频率等因素对中速(裂纹扩展速率da/dN 在１０－５~１０－３ mm??周次－１)扩展区疲劳裂纹扩展速率的影响,并用 Paris方程和 Walker方程

对中速扩展区曲线进行了拟合,为该钢的应用与评价提供数据参考.

１ 试样制备与试验方法

试验用材料为３００M 钢棒,由抚顺特钢生产,规格为?４００mm,退火态.从３００M 钢棒上切取材料,制成拉伸试样、断裂韧度试样以及紧凑拉伸疲劳裂纹扩展试样.拉伸试样的尺寸为?１０mm×１１０mm,标距为５０ mm;断裂韧度试样的尺寸为 １５ mm×３０mm×１４０mm;紧凑拉伸疲劳裂纹扩展试样的尺寸见图１,厚度为２０mm,取样方向为纵向.

图２ 在不同条件下３００M 钢试样的da/dN 随 ΔK 的变化曲线

Fig.２ Variationcurvesofda dN withΔKof３００Msteelsamplesunderdifferentconditions a airand b NaClＧwatersolution

Paris模型是应用广阔的描述材料疲劳裂纹扩展规律的模型之一.将 Paris公式取对数,得到其对数表达式为lg(da/dN)＝lgC ＋mlg(ΔK) (１)

式中:C,m 为材料常数.

用式(１)对图２数据进行线性拟合,得到不同条件下的拟合参数,如表１所示.表中,r２ 为表示线性程度的相关系数.由表１可以看出:两种环境下的r２ 均高于０．９５,可见３００M 钢的疲劳裂纹扩展速率与 Paris公式符合良好;空气环境中的r２ 比 NaCl水溶液中的高,说明 NaCl水溶液中的疲劳裂纹扩展速率分散性相对较大.。