分享：碳元素含量对钢锻件疲劳性能的影响

材料的疲劳强度与抗拉强度在一定条件下存在着较密切的关系。在其他合金元素种类和含量基本一致的条件下,碳元素含量是影响材料强度的最主要因素[1-3]。李宏等[4]研究了珠光体含量对球墨铸铁疲劳性能的影响,球墨铸铁中珠光体含量越高,其疲劳寿命越长。崔玉珍[5]通过接触疲劳、弯曲疲劳以及多次冲击试验,研究了渗碳层表面碳元素含量对20CrMnTi钢疲劳性能的影响,然而针对碳元素含量对材料疲劳强度影响机制的研究仍较少。笔者对3种不同碳元素含量的材料进行疲劳试验,获得不同碳元素含量下材料的疲劳强度、疲劳寿命,得到了碳元素含量对材料疲劳性能的影响规律,为类似材料的工程应用提供参考依据。 

1.   试样制备与试验方法

1.1   试样制备

选取碳元素质量分数分别为0.2%,0.3%,0.4%的钢板,分别编号为试样1,2,3。在整板厚度的1/4位置取样,高周疲劳试样尺寸如图1所示,低周疲劳试样尺寸如图2所示。均采用纵向磨抛工艺去除疲劳试样环向加工痕迹,在20倍放大倍率下检查,应无环向加工痕迹或其他磕碰伤。用粗糙度测量仪测量工作段的粗糙度,结果均不大于0.2 μm。 

图  1  高周疲劳试样尺寸示意

图  2  低周疲劳试样尺寸示意

1.2   试验方法

1.2.1   高周疲劳试验

采用高频疲劳试验机,根据ASTME 466-21 Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials 进行高周疲劳试验,成组法选取3级应力水平,每级应力水平获得3个以上有效数据；用升降法获得7对以上有效数据,根据GB/T 24176—2009《金属材料疲劳试验数据统计方案与分析方法》统计疲劳强度,并绘制拟合S（疲劳强度）-N(疲劳寿命)曲线。 

1.2.2   低周疲劳试验

采用MTS Landmark系列液压伺服试验系统,根据ASTM E606/E606M-21 Standard Test Method for Strain-Controlled Fatigue Testing进行低周疲劳试验,选取5个以上的应变水平,每个应变水平获得2个以上的有效数据点,引伸计型号为632.13F-20,标距为10 mm,精度为0.5级,三角波,应变速率为0.005 s−1,试样在3×105次循环周次下未破坏或断裂,则判断试验结束。 

1.2.3   金相检验

在试样上切取剖面,根据GB/T 13298—2015 《金属显微组织检验方法》对试样进行镶嵌、磨抛及腐蚀处理,采用光学显微镜对试样的显微组织进行观察。 

1.2.4   扫描电镜（SEM）分析

在试样上切取剖面,根据GB/T 13298—2015对试样进行镶嵌、磨抛及腐蚀处理,采用扫描电镜对试样的微观形貌进行观察[9]。 

2.   试验结果

2.1   疲劳试验

在不同应力水平下按照试样“失效”或“非失效”的计算频率安排试验数据,仅对“失效”和“非失效”事件进行统计。首先将应力水平按升序排序,S0≤S1≤…≤Sl（l为应力水平数）,指定事件数fi(i=1,2,3,…),指定应力台阶Δσ,对最少的观测数进行分组,最终获得疲劳强度。疲劳强度统计方法如式（1）,（2）所示。 

式中：A=$\underset{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}\text{<span style="font-size:16px;">=</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">1</span>}}{\overset{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}{{\displaystyle <span\; style="font-size:16px;">\sum </span>}}}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}$；C=$\underset{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}\text{<span style="font-size:16px;">=</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">1</span>}}{\overset{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}{{\displaystyle <span\; style="font-size:16px;">\sum </span>}}}{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}$；D=$\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}\text{<span style="font-size:16px;">-</span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">2</span>}}}{{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">2</span>}}}$,其中B=$\underset{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}\text{<span style="font-size:16px;">=</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">1</span>}}{\overset{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}{{\displaystyle <span\; style="font-size:16px;">\sum </span>}}}{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">2</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}$（仅当D>0.3时才有效）；${\stackrel{<span\; style="font-size:16px;">^</span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}$为总样本的疲劳强度；${\stackrel{<span\; style="font-size:16px;">^</span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}$为总样本疲劳强度的标准偏差；d为两个相邻应力水平之差。 

根据式（1）,（2）可以获得试样1,2,3的疲劳强度分别为409,426,434 MPa,试样1,2,3的应力和应变与疲劳寿命的关系如图3所示。由图3可知：试样2较试样1的疲劳强度提高了17 MPa,占比为4%,试样3较试样1的疲劳强度提高了25 MPa,占比为6%；在lgN为4.5的高应力区,随着碳元素含量的增加,3个试样的应力不断增大,分别为450,460,470 MPa；在lgN为5.2的中应力区,3个试样的疲劳寿命最接近；在低应变区,相同应变水平下,3个试样的疲劳寿命较接近；在中高应变区,相同应变水平（1.5%）下,试样2的疲劳寿命比试样1延长了27%,试样3的疲劳寿命比试样1延长了21%。 

图  3  试样1,2,3的应力和应变与疲劳寿命的关系

2.2   显微组织及SEM形貌

试样1,2,3的显微组织形貌如图4所示。由图4可知：试样1,2,3的组织均为回火索氏体。 

图  4  试样1,2,3的显微组织形貌

试样1,2,3中碳化物的SEM形貌如图5所示。由图5可知：碳化物在基体中的分布较为均匀,随着碳含量的增加,碳化物体积分数增大,碳化物颗粒逐步粗化,尺寸为393~672 nm。 

图  5  试样1,2,3中碳化物的SEM形貌

3个试样的断裂形式一致,其中试样1断口处的SEM形貌如图6所示。由图6可知：裂纹从试样表面开始萌生,裂纹萌生位置为几何缺陷或者材料本身含有的非金属夹杂处,裂纹萌生区比较光滑,且裂纹呈辐射状扩展；裂纹不断扩展进入较为粗糙的条状物区域,试样最终在快速剪切过程中迅速断裂；最终断裂区损伤面非常粗糙,且有很多微裂纹、酒窝状以及蜂窝状组织出现,甚至还出现了明显的组织剥落现象。由于碳元素含量增加,材料的脆性增大,在高周疲劳范围内,材料具有更好的疲劳性能,疲劳强度增大。在应变疲劳范围内,中等碳元素含量的疲劳寿命最长。 

图  6  试样1断口处的SEM形貌

3.   综合分析

碳元素含量对疲劳强度的强化机制主要有固溶强化和沉淀强化。固溶强化指原子固溶于钢基体中,使晶格发生畸变,从而在基体中产生弹性应力场,弹性应力场与位错的交互作用将增大位错运动的阻力,在各合金元素中,碳元素均有较强的固溶强化效应。试验选用的钢板为调质态（淬火+高温回火）,经高温回火后,材料中的过饱和碳元素几乎全部以碳化物的形式析出,超过了α-Fe基体中碳元素的最大溶解度0.021 8%,因此碳元素对基体的固溶强化作用一致。 

沉淀强化是指钢中微粒第二相对位错运动有很好的钉扎作用,位错通过第二相会消耗能量。根据位错的作用过程,主要有切割机制（软粒子）和绕过机制,在钢中主要为绕过机制。钢中的微粒第二相数量越多、尺寸越细、分布越弥散,粒子间距越小,对位错运动的阻碍作用就越强,材料的强度就越大。高温回火析出的碳化物为微粒第二相,3个试样的碳化物尺寸均大于300 nm,已超出沉淀强化效果最强时碳化物与基体保持共格和半共格关系的尺寸(5~15 nm),碳化物作为第二相粒子,对材料产生的沉淀强化效果不明显。 

4.   结论

（1）碳元素质量分数为0.2%,0.3%,0.4%,钢板的疲劳强度分别为409,426,434 MPa。碳元素含量与疲劳强度具有一定的正相关性。在低周疲劳范围内,低应变区3种板材的疲劳寿命较为接近；在中高应变水平下,试样2的疲劳寿命比试样1延长了27%,试样3的疲劳寿命比试样1延长了21%。 

（2）钢中过饱和碳元素几乎全部以碳化物的形式析出,碳元素含量的增加对疲劳强度的强化机制主要为固溶强化,沉淀强化的效果不明显。 

（3）试验选取的钢中碳化物在基体中分布较均匀,随着碳元素含量的增加,碳化物体积分数增加,碳化物颗粒逐步粗化；试样表面几何缺陷或非金属夹杂处萌生微裂纹,裂纹在条状物区域平稳扩展,最终试样在快速剪切过程中迅速断裂。

文章来源——材料与测试网