楊碩，肖志瑜，冼志勇，梁集標(biāo)，溫利平，朱權(quán)利

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粉末鍛造Fe-2Cu-0.5C-0.11S材料的超聲疲勞

楊碩1，肖志瑜1，冼志勇2，梁集標(biāo)3，溫利平1，朱權(quán)利1

(1. 華南理工大學(xué)國家金屬近凈成形工程技術(shù)研究中心，廣州 510640；2. 佛山市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測中心，佛山 528225；3. 廣東東睦新材料有限公司，江門 529000)

采用粉末鍛造工藝制備Fe-2Cu-0.5C-0.11S材料，對該材料進(jìn)行超聲疲勞試驗，研究材料的超聲疲勞行為，并對疲勞斷口形貌進(jìn)行觀察與分析。結(jié)果表明，F(xiàn)e-2Cu-0.5C-0.11S材料不存在無限疲勞壽命，只存在條件疲勞強(qiáng)度，在105，106，107，108周次下材料的疲勞強(qiáng)度分別為543.6，437.7，351.1和281.7 MPa，疲勞斷口由裂紋源區(qū)、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)組成。裂紋源區(qū)內(nèi)存在扇形分布的疲勞臺階和短小撕裂棱，在疲勞應(yīng)力較大時主裂紋源位于材料表面，應(yīng)力較小時主裂紋源位于材料內(nèi)部；裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)內(nèi)存在大量方向不規(guī)則的疲勞輝紋，疲勞輝紋的間隔隨疲勞應(yīng)力減小而減??；瞬斷區(qū)整體較粗糙且不平整，內(nèi)部存在大量韌窩。

粉末鍛造；鐵基材料；超聲疲勞；S-N曲線；疲勞斷口

疲勞破壞是材料失效的主要形式之一。在實際應(yīng)用中約有80%以上的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞是由疲勞造成 的[1]，疲勞破壞沒有預(yù)兆，危害性很大[2]。粉末冶金材料的疲勞性能和行為與致密材料不同[3]，材料密度、孔隙、夾雜物、殘余應(yīng)力和顯微組織等均會對粉末冶金材料的疲勞性能產(chǎn)生影響[4]。由于粉末冶金材料的應(yīng)用范圍越來越廣，對其疲勞性能進(jìn)行研究具有重要意義。在各種疲勞性能試驗方法中，超聲疲勞試驗方法可以快速測得材料的高周及超高周疲勞性能。目前，華南理工大學(xué)對鐵基粉末冶金材料的超聲疲勞性能進(jìn)行了較多研究，包括Fe-Cu-Ni-Mo-C[5?6]、Fe-Cu-Mn- C[7]、Fe-Ni-Cu-Cr-Mo-C[8]等一系列材料。Fe-Cu-C-S系鐵基粉末冶金材料具有高性能低成本的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于連桿的生產(chǎn)與制備，國外已經(jīng)開發(fā)出HS150 (3Cu5C)、HS160(3Cu6C)和HS170(3Cu7C)等一系列Fe-Cu-C-S粉末鍛造連桿并已實際應(yīng)用[9]，但國內(nèi)對Fe-Cu-C-S系粉末冶金材料研究較少，對其高周及超高周疲勞性能的研究則沒有報道。因此，本文作者采用國產(chǎn)原料，通過粉末鍛造的方法制備Fe-2Cu-0.5C- 0.11S鐵基材料，對其超聲疲勞性能和行為進(jìn)行研究，以期為擴(kuò)展鐵基粉末冶金材料的應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 實驗

實驗原料采用粒度小于147 μm的水霧化鐵粉，粒度小于74 μm的電解銅粉，粒度小于74 μm的鱗片狀石墨粉和粒度小于74 μm的硫化錳粉。按照97.2%Fe，2%Cu，0.5%C和0.3%MnS(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的配比稱量原料粉末，再加入0.6%的硬脂酸鋰作為潤滑劑，在V型高效混粉機(jī)上充分混合2 h；將混合粉末裝入模具內(nèi)，以3%硬脂酸鋰酒精溶液作為潤滑劑進(jìn)行模壁潤滑，在THP-60A型快速油壓機(jī)上以700 MPa的壓力進(jìn)行常溫雙向壓制；將壓坯置于工業(yè)網(wǎng)帶爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1120 ℃，燒結(jié)氣氛為分解氨，保溫1 h，隨爐冷卻后取出；將燒結(jié)件在碳還原氣氛箱式爐內(nèi)重新加熱至1050 ℃時，從爐中取出，立即在100 t自動液壓機(jī)上進(jìn)行鍛造，得到尺寸為56 mm×11 mm×8 mm的粉末鍛造Fe-2Cu-0.5C- 0.11S材料樣品。鍛造壓力為1500 MPa。經(jīng)過分析與測試，該材料的顯微組織由珠光體和鐵素體組成，密度為7.75 g/cm3，抗拉強(qiáng)度為1018 MPa，伸長率為4.0%。

利用鍛造材料的密度=7.75 g/cm3和彈性模量=220 GPa，計算出疲勞試樣的長度為35.2 mm，試樣的具體尺寸如圖1所示，按照圖1利用線切割將鍛造后的試樣加工成疲勞試樣，通過有限元分析得出試樣的固有頻率為20148 Hz，在系統(tǒng)頻率之內(nèi)，符合超聲疲勞試驗的要求，利用西南交通大學(xué)的超聲疲勞試驗設(shè)備進(jìn)行試驗，試驗系統(tǒng)頻率為20±0.5 kHz，應(yīng)力比=?1，水冷。設(shè)置不同的“加載位移幅”(可換算為應(yīng)力)，得到不同的疲勞循環(huán)周次，從而繪制–曲線。

圖1 對稱彎曲超聲疲勞試樣的尺寸

2 結(jié)果與討論

2.1 疲勞S-N曲線

圖2所示為粉末鍛造Fe-2Cu-0.5C-0.11S材料在105~108周次下的–曲線(為超聲疲勞應(yīng)力；為疲勞循環(huán)周次)。由圖可見–曲線為一條連續(xù)下降的曲線，其存活率為50%。其中，疲勞循環(huán)周次在107以上時，材料仍會出現(xiàn)疲勞斷裂，而不會出現(xiàn)疲勞水平平臺，即不存在傳統(tǒng)概念上的無限疲勞壽命，材料只存在條件疲勞強(qiáng)度。使用Basquin方程[10]對–曲線進(jìn)行擬合，Basquin方程為：

其中：σ為疲勞強(qiáng)度；為超聲疲勞強(qiáng)度系數(shù)；Nf為疲勞循環(huán)周次；b為超聲疲勞強(qiáng)度指數(shù)。經(jīng)過擬合，得到Basquin擬合方程為：

利用式(2)進(jìn)行計算，得到材料疲勞循環(huán)周次N分別為105，106，107和108下的疲勞強(qiáng)度分別為543.6，437.7，351.1和281.7 MPa。一般來說，由于材料的自振和疲勞試驗中加載的應(yīng)變速率較大，超聲疲勞試驗得出的疲勞強(qiáng)度稍高于常規(guī)疲勞試驗[11]。

2.2 疲勞斷口形貌

圖3所示為1.2×105周次下疲勞強(qiáng)度為533.6 MPa時的對稱彎曲超聲疲勞斷口SEM形貌。由圖可見，疲勞斷口由裂紋源區(qū)，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)(瞬斷區(qū))組成。由于經(jīng)過反復(fù)的摩擦且與空氣的接觸時間較長，裂紋源區(qū)的顏色較深。從圖3(a)看出，裂紋主要萌生于材料表面與次表面的夾雜物處，根據(jù)顏色可判斷材料表面處的裂紋源為主裂紋源，包括區(qū)域A與區(qū)域B，區(qū)域C為次裂紋源，位于材料內(nèi)部。從圖3(b)和(c)可知，主裂紋源處的夾雜物主要為鐵的氧化物和碳化物以及硫化錳。裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)內(nèi)可看到疲勞輝紋和少量摩擦劃痕，如圖3(d)所示。在疲勞循環(huán)應(yīng)力的作用下，裂紋擴(kuò)展形成疲勞輝紋，輝紋間隔的大小可代表裂紋擴(kuò)展的速度，由于此時應(yīng)力較大，裂紋擴(kuò)展速度快，所以疲勞輝紋的間隔較 大。瞬斷區(qū)整體較粗糙，觀察到大量韌窩，如圖3(e)所示。

圖3 Nf =1.2×105時材料的超聲疲勞斷口SEM形貌

圖4所示為1.4×106周次下材料的疲勞斷口SEM形貌。從圖4(a)可見疲勞源區(qū)有多處，表現(xiàn)出多源萌生的特點，其中試樣表面處的裂紋源區(qū)顏色較深，為主裂紋源。裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)存在大量疲勞輝紋(如圖4(b)所示)，與1.2×105周次下疲勞強(qiáng)度為533.6 MPa時的疲勞斷口相比，由于疲勞應(yīng)力減小，疲勞裂紋擴(kuò)展速度變慢，所以疲勞輝紋之間的間隔變小。圖4(c)所示為瞬斷區(qū)形貌，可見大量韌窩。

圖4 Nf =1.4×106時材料的超聲疲勞斷口形貌

圖5所示為1.2×107周次下，疲勞強(qiáng)度為343.9 MPa時材料的超聲疲勞斷口SEM形貌。從圖5(a)可見疲勞源主要位于試樣表面，疲勞萌生于表面的夾雜物處，表現(xiàn)出多源萌生的特點。圖5(b)所示為疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)形貌，可以觀察到疲勞輝紋，疲勞輝紋的方向一般與疲勞裂紋的擴(kuò)展方向垂直，但從圖5(b)可見疲勞輝紋的方向不規(guī)則，這可能與粉末冶金材料中存在孔隙導(dǎo)致應(yīng)力分布不規(guī)則有關(guān)。瞬斷區(qū)較粗糙，存在大量韌窩(見5(c))。

圖5 Nf =1.2×107, σ=343.9MPa時材料的超聲疲勞斷口形貌

圖6所示為1.7×108周次下，疲勞強(qiáng)度為266 MPa時材料的超聲疲勞斷口SEM形貌。由圖可見，疲勞裂紋萌生于試樣內(nèi)部的夾雜物處，并可觀察到扇形分布的疲勞臺階和大量亮白色的短小撕裂棱；由于疲勞循環(huán)應(yīng)力進(jìn)一步減小，疲勞輝紋之間的間隔進(jìn)一步縮??；瞬斷區(qū)整體非常不平整，存在大量韌窩。

圖6 Nf =1.7×108時材料的超聲疲勞斷口形貌

3 結(jié)論

1) 粉末鍛造Fe-2Cu-0.5C-0.11S鐵基材料的疲勞壽命曲線(?曲線)是一條連續(xù)下降的曲線，其存活率為50%。材料不存在傳統(tǒng)意義上的無限疲勞壽命，只存在條件疲勞強(qiáng)度。在105，106，107和108周次下材料的條件疲勞強(qiáng)度分別為543.6，437.7，351.1和281.7 MPa。

2) 材料的超聲疲勞斷口由裂紋源區(qū)、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)組成。裂紋源區(qū)內(nèi)部存在扇形分布的疲勞臺階和撕裂棱，裂紋在夾雜物處萌生，呈現(xiàn)出多源萌生的特點，在疲勞應(yīng)力較高時主裂紋源位于材料表面，在疲勞應(yīng)力較低時主裂紋源位于材料內(nèi)部；裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)內(nèi)部存在大量疲勞輝紋，輝紋的方向不規(guī)則，且疲勞輝紋的間隔隨疲勞應(yīng)力減小而減小；瞬斷區(qū)整體較粗糙不平整，存在大量韌窩。

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(編輯 湯金芝)

Ultrasonic fatigue of powder-forged Fe-2Cu-0.5C-0.11S materials

YANG Shuo1, XIAO Zhiyu1, XIAN Zhiyong2, LIANG Jibiao3, WEN Liping1, ZHU Quanli1

(1. National Engineering Research Center of Near-Net-Shape Forming for Metallic Material, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 2. Foshan Supervision Testing Centre of Quality and Metrology, Foshan 528225, China;3. NBTM New Materials Co., Ltd., Jiangmen 529000, China)

Fe-2Cu-0.5C-0.11S materials were prepared by powder forging technology. The fatigue behavior and fatigue fracture morphology under different cycles were studied by ultrasonic fatigue test and SEM. The results show that the Fe-2Cu-0.5C-0.11S materials have no infinite fatigue life, but only have conditional fatigue strength. The fatigue strengthes under 105, 106, 107, 108cycles are 543.6, 437.7, 351.1 and 281.7 MPa, respectively. Fatigue fracture surface shows crack source region, crack propagation region and final fracture region. Fan shape distribution of fatigue steps and short tearing edges can be found in the crack source region. Main crack source locates on the surface of the material when the fatigue stress is large, but locates inside the material when the stress is small. There are a large number of irregular fatigue striations in the crack propagation region and the fatigue striation interval decreases with the decrease of fatigue stress. The transient fracture region is rough, uneven and with lots of dimples.

powder forging; iron-based materials; ultrasonic fatigue; S-N curve; fatigue fracture

TG113.25+5

A

1673-0224(2017)05-608-06

國家自然科學(xué)基金項目(51274103)；廣東省自然科學(xué)基金團(tuán)隊項目(2015A030312003)；廣東省科技攻關(guān)項目(2016B030302006，2015B020238008)

2017?03?13；

2017?05?08

肖志瑜，教授，博士。電話：020-87110099；E-mail: zhyxiao@scut.edu.cn