材料的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度在一定條件下存在著較密切的關(guān)系。在其他合金元素種類和含量基本一致的條件下,碳元素含量是影響材料強(qiáng)度的最主要因素[1-3]。李宏等[4]研究了珠光體含量對(duì)球墨鑄鐵疲勞性能的影響,球墨鑄鐵中珠光體含量越高,其疲勞壽命越長。崔玉珍[5]通過接觸疲勞、彎曲疲勞以及多次沖擊試驗(yàn),研究了滲碳層表面碳元素含量對(duì)20CrMnTi鋼疲勞性能的影響,然而針對(duì)碳元素含量對(duì)材料疲勞強(qiáng)度影響機(jī)制的研究仍較少。筆者對(duì)3種不同碳元素含量的材料進(jìn)行疲勞試驗(yàn),獲得不同碳元素含量下材料的疲勞強(qiáng)度、疲勞壽命,得到了碳元素含量對(duì)材料疲勞性能的影響規(guī)律,為類似材料的工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1. 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

選取碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.2%,0.3%,0.4%的鋼板,分別編號(hào)為試樣1,2,3。在整板厚度的1/4位置取樣,高周疲勞試樣尺寸如圖1所示,低周疲勞試樣尺寸如圖2所示。均采用縱向磨拋工藝去除疲勞試樣環(huán)向加工痕跡,在20倍放大倍率下檢查,應(yīng)無環(huán)向加工痕跡或其他磕碰傷。用粗糙度測量儀測量工作段的粗糙度,結(jié)果均不大于0.2 μm。

圖 1高周疲勞試樣尺寸示意

圖 2低周疲勞試樣尺寸示意

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 高周疲勞試驗(yàn)

采用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī),根據(jù)ASTME 466-21Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials進(jìn)行高周疲勞試驗(yàn),成組法選取3級(jí)應(yīng)力水平,每級(jí)應(yīng)力水平獲得3個(gè)以上有效數(shù)據(jù)；用升降法獲得7對(duì)以上有效數(shù)據(jù),根據(jù)GB/T 24176—2009《金屬材料疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方案與分析方法》統(tǒng)計(jì)疲勞強(qiáng)度,并繪制擬合S（疲勞強(qiáng)度）-N(疲勞壽命)曲線。

1.2.2 低周疲勞試驗(yàn)

采用MTS Landmark系列液壓伺服試驗(yàn)系統(tǒng),根據(jù)ASTM E606/E606M-21Standard Test Method for Strain-Controlled Fatigue Testing進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn),選取5個(gè)以上的應(yīng)變水平,每個(gè)應(yīng)變水平獲得2個(gè)以上的有效數(shù)據(jù)點(diǎn),引伸計(jì)型號(hào)為632.13F-20,標(biāo)距為10 mm,精度為0.5級(jí),三角波,應(yīng)變速率為0.005 s−1,試樣在3×105次循環(huán)周次下未破壞或斷裂,則判斷試驗(yàn)結(jié)束。

1.2.3 金相檢驗(yàn)

在試樣上切取剖面,根據(jù)GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對(duì)試樣進(jìn)行鑲嵌、磨拋及腐蝕處理,采用光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣的顯微組織進(jìn)行觀察。

1.2.4 掃描電鏡（SEM）分析

在試樣上切取剖面,根據(jù)GB/T 13298—2015對(duì)試樣進(jìn)行鑲嵌、磨拋及腐蝕處理,采用掃描電鏡對(duì)試樣的微觀形貌進(jìn)行觀察[9]。

2. 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 疲勞試驗(yàn)

在不同應(yīng)力水平下按照試樣“失效”或“非失效”的計(jì)算頻率安排試驗(yàn)數(shù)據(jù),僅對(duì)“失效”和“非失效”事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。首先將應(yīng)力水平按升序排序,S0≤S1≤…≤Sl（l為應(yīng)力水平數(shù)）,指定事件數(shù)fi(i=1,2,3,…),指定應(yīng)力臺(tái)階Δσ,對(duì)最少的觀測數(shù)進(jìn)行分組,最終獲得疲勞強(qiáng)度。疲勞強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)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=$\underset{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}\text{<span style="font-size:16px;">=</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">1</span>}}{\overset{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}{{\displaystyle <span\; style="font-size:16px;">\sum </span>}}}{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">2</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}$（僅當(dāng)D>0.3時(shí)才有效）；${\stackrel{<span\; style="font-size:16px;">^</span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}$為總樣本的疲勞強(qiáng)度；${\stackrel{<span\; style="font-size:16px;">^</span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}$為總樣本疲勞強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差；d為兩個(gè)相鄰應(yīng)力水平之差。

根據(jù)式（1）,（2）可以獲得試樣1,2,3的疲勞強(qiáng)度分別為409,426,434 MPa,試樣1,2,3的應(yīng)力和應(yīng)變與疲勞壽命的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知：試樣2較試樣1的疲勞強(qiáng)度提高了17 MPa,占比為4%,試樣3較試樣1的疲勞強(qiáng)度提高了25 MPa,占比為6%；在lgN為4.5的高應(yīng)力區(qū),隨著碳元素含量的增加,3個(gè)試樣的應(yīng)力不斷增大,分別為450,460,470 MPa；在lgN為5.2的中應(yīng)力區(qū),3個(gè)試樣的疲勞壽命最接近；在低應(yīng)變區(qū),相同應(yīng)變水平下,3個(gè)試樣的疲勞壽命較接近；在中高應(yīng)變區(qū),相同應(yīng)變水平（1.5%）下,試樣2的疲勞壽命比試樣1延長了27%,試樣3的疲勞壽命比試樣1延長了21%。

圖 3試樣1,2,3的應(yīng)力和應(yīng)變與疲勞壽命的關(guān)系

2.2 顯微組織及SEM形貌

試樣1,2,3的顯微組織形貌如圖4所示。由圖4可知：試樣1,2,3的組織均為回火索氏體。

圖 4試樣1,2,3的顯微組織形貌

試樣1,2,3中碳化物的SEM形貌如圖5所示。由圖5可知：碳化物在基體中的分布較為均勻,隨著碳含量的增加,碳化物體積分?jǐn)?shù)增大,碳化物顆粒逐步粗化,尺寸為393~672 nm。

圖 5試樣1,2,3中碳化物的SEM形貌

3個(gè)試樣的斷裂形式一致,其中試樣1斷口處的SEM形貌如圖6所示。由圖6可知：裂紋從試樣表面開始萌生,裂紋萌生位置為幾何缺陷或者材料本身含有的非金屬夾雜處,裂紋萌生區(qū)比較光滑,且裂紋呈輻射狀擴(kuò)展；裂紋不斷擴(kuò)展進(jìn)入較為粗糙的條狀物區(qū)域,試樣最終在快速剪切過程中迅速斷裂；最終斷裂區(qū)損傷面非常粗糙,且有很多微裂紋、酒窩狀以及蜂窩狀組織出現(xiàn),甚至還出現(xiàn)了明顯的組織剝落現(xiàn)象。由于碳元素含量增加,材料的脆性增大,在高周疲勞范圍內(nèi),材料具有更好的疲勞性能,疲勞強(qiáng)度增大。在應(yīng)變疲勞范圍內(nèi),中等碳元素含量的疲勞壽命最長。

圖 6試樣1斷口處的SEM形貌

3. 綜合分析

碳元素含量對(duì)疲勞強(qiáng)度的強(qiáng)化機(jī)制主要有固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化指原子固溶于鋼基體中,使晶格發(fā)生畸變,從而在基體中產(chǎn)生彈性應(yīng)力場,彈性應(yīng)力場與位錯(cuò)的交互作用將增大位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力,在各合金元素中,碳元素均有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效應(yīng)。試驗(yàn)選用的鋼板為調(diào)質(zhì)態(tài)（淬火+高溫回火）,經(jīng)高溫回火后,材料中的過飽和碳元素幾乎全部以碳化物的形式析出,超過了α-Fe基體中碳元素的最大溶解度0.021 8%,因此碳元素對(duì)基體的固溶強(qiáng)化作用一致。

沉淀強(qiáng)化是指鋼中微粒第二相對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有很好的釘扎作用,位錯(cuò)通過第二相會(huì)消耗能量。根據(jù)位錯(cuò)的作用過程,主要有切割機(jī)制（軟粒子）和繞過機(jī)制,在鋼中主要為繞過機(jī)制。鋼中的微粒第二相數(shù)量越多、尺寸越細(xì)、分布越彌散,粒子間距越小,對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用就越強(qiáng),材料的強(qiáng)度就越大。高溫回火析出的碳化物為微粒第二相,3個(gè)試樣的碳化物尺寸均大于300 nm,已超出沉淀強(qiáng)化效果最強(qiáng)時(shí)碳化物與基體保持共格和半共格關(guān)系的尺寸(5~15 nm),碳化物作為第二相粒子,對(duì)材料產(chǎn)生的沉淀強(qiáng)化效果不明顯。

4. 結(jié)論

（1）碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%,0.3%,0.4%,鋼板的疲勞強(qiáng)度分別為409,426,434 MPa。碳元素含量與疲勞強(qiáng)度具有一定的正相關(guān)性。在低周疲勞范圍內(nèi),低應(yīng)變區(qū)3種板材的疲勞壽命較為接近；在中高應(yīng)變水平下,試樣2的疲勞壽命比試樣1延長了27%,試樣3的疲勞壽命比試樣1延長了21%。

（2）鋼中過飽和碳元素幾乎全部以碳化物的形式析出,碳元素含量的增加對(duì)疲勞強(qiáng)度的強(qiáng)化機(jī)制主要為固溶強(qiáng)化,沉淀強(qiáng)化的效果不明顯。

（3）試驗(yàn)選取的鋼中碳化物在基體中分布較均勻,隨著碳元素含量的增加,碳化物體積分?jǐn)?shù)增加,碳化物顆粒逐步粗化；試樣表面幾何缺陷或非金屬夾雜處萌生微裂紋,裂紋在條狀物區(qū)域平穩(wěn)擴(kuò)展,最終試樣在快速剪切過程中迅速斷裂。

文章來源——材料與測試網(wǎng)