D01:10.13374/6.issn1001-t63x.2011.01.004 第33卷第1期 北京科技大学学报 Vol 33 No 1 2011年1月 Journal of Un iersity of Science and Technology Beijing Jan 2011 10℃rNiMo高强钢的低周疲劳特性 张亚军区 洛阳船舶材料研究所，洛阳471039 区通信作者，Email hangy09@163cm 摘要采用圆形横截面光滑试样，通过轴向不同应变幅控制的低周疲劳试验，研究了10CNMo高强钢的低周疲劳特性，包 括循环应力应变行为、应变一寿命特点、循环应力响应及其力学滞后现象，给出了相应的疲劳参数、循环软硬化特性及应变 滞后规律.对裂纹扩展方向及试样疲劳断口的观察表明：裂纹扩展面与轴向力呈现多角度关系，裂纹萌生于试样表面，沿断口 周边分布，且具有多源性：疲劳裂纹主要以锐化钝化机制扩展. 关键词高强钢：低周疲劳：疲劳性能：断口 分类号TG142.1+2 Low cycle fatigue characteristic of 10C rN M o high-strength steel ZHANG Ya Luoyang Ship Material Research Institte Luoyang 471039 China Corresponding author Email hangy 0@163 cam ABSTRACT Low cycle fatigue characteristics of 10CIN Mo high"strength steel were nvestigated w ith smooth motundity"section speci- mens through low cycle fatigue testing under axial bading controlled by different strain amplitudes including cyclic stress"strain behav- ior stran-life feature cyclic stress response and mechanical hysteresis The relevant fatigue parmeters cyclic softening/handening property and strain hysteretic mule were given on the basis of expermental data Observations of crack propagation orientation and frac- ture surfaces show that fatigue cracks initiate w ith multi-initiation sites from the specmen surface distribute along the fracture border and pmopagate along planes w ith different angles to axial force Fatigue crack propagation is manly in the blnting"reshampening mecha- nisn. KEY WORDS high strength steel low cycle fatigue fatigue pmoperties fracture 工程中很多结构（如压力容器、高压管道、桥梁 应变幅控制的低周疲劳试验，研究了10CNMo高强 结构和飞机起落架)的失效都是由低周疲劳引起 钢的低周疲劳特性，并对裂纹扩展方向及试样疲劳 的1，因此深入研究材料的低周疲劳特性，从而事 断口进行观察分析，以期为该钢的工程应用提供 先对材料或结构进行设计与剩余寿命评估，具有重 依据 要意义.10CNMo钢是一种屈服强度大于785MPa 1试验材料与方法 的低合金高强度高韧性结构钢，主要用于船舶、压力 容器等重要产品，在我国船舶工业中占据重要地 试验材料为10CNMo高强度结构钢，热处理状 位).薛钢曾研究了表面压应力对该钢高低周疲 态为调质态，具体工艺为900℃，1.5h十650℃， 劳性能的影响，笔者也曾研究该钢在低周疲劳过程 2.5h其金相组织为具有马氏体板条特征的回火索 中的循环软硬化特性)及弹性模量的损伤特性⑧] 氏体组织，见图1.钢板厚度为26mm,其化学成分 等，然而却未见到对该材料低周疲劳特性进行系统 及常规力学性能见文献[5] 研究的报道 沿轧制方向进行取样，加工成光滑等截面圆棒 本文采用圆形横截面光滑试样，通过轴向不同 形，工作部分名义直径为10mm,具体尺寸见图2. 收稿日期：2010-03-09
第 33卷 第 1期 2011年 1月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．33Ｎｏ．1 Ｊａｎ．2011 10ＣｒＮｉＭｏ高强钢的低周疲劳特性 张亚军 洛阳船舶材料研究所洛阳 471039 通信作者Ｅ-ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｙｊ309＠163．ｃｏｍ 摘 要 采用圆形横截面光滑试样通过轴向不同应变幅控制的低周疲劳试验研究了 10ＣｒＮｉＭｏ高强钢的低周疲劳特性包 括循环应力--应变行为、应变 －寿命特点、循环应力响应及其力学滞后现象给出了相应的疲劳参数、循环软硬化特性及应变 滞后规律．对裂纹扩展方向及试样疲劳断口的观察表明：裂纹扩展面与轴向力呈现多角度关系裂纹萌生于试样表面沿断口 周边分布且具有多源性；疲劳裂纹主要以锐化--钝化机制扩展． 关键词 高强钢；低周疲劳；疲劳性能；断口 分类号 ＴＧ142∙1 ＋2 Ｌｏｗｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆ10ＣｒＮｉＭｏｈｉｇｈ-ｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌ ＺＨＡＮＧＹａ-ｊｕｎ ＬｕｏｙａｎｇＳｈｉｐＭａｔｅｒｉａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＬｕｏｙａｎｇ471039Ｃｈｉｎａ ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒＥ-ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｙｊ309＠163．ｃｏｍ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｌｏｗｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ10ＣｒＮｉＭｏｈｉｇｈ-ｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｗｉｔｈｓｍｏｏｔｈｒｏｔｕｎｄｉｔｙ-ｓｅｃｔｉｏｎｓｐｅｃｉ- ｍｅｎｓｔｈｒｏｕｇｈｌｏｗｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｉｎｇｕｎｄｅｒａｘｉａｌｌｏａｄｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒａｉｎａｍｐｌｉｔｕｄｅｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｃｙｃｌｉｃｓｔｒｅｓｓ-ｓｔｒａｉｎｂｅｈａｖ- ｉｏｒｓｔｒａｉｎ-ｌｉｆｅｆｅａｔｕｒｅｃｙｃｌｉｃｓｔｒｅｓｓｒｅｓｐｏｎｓｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ．Ｔｈｅｒｅｌｅｖａｎｔｆａｔｉｇｕｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｃｙｃｌｉｃｓｏｆｔｅｎｉｎｇ／ｈａｒｄｅｎｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｙａｎｄｓｔｒａｉｎｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃｒｕｌｅｗｅｒｅｇｉｖｅｎｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ．Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｏｆｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄｆｒａｃ- ｔｕｒｅｓｕｒｆａｃｅｓｓｈｏｗｔｈａｔｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｓｉｎｉｔｉａｔｅｗｉｔｈｍｕｌｔｉ-ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎｓｉｔｅｓｆｒｏｍｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓｕｒｆａｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅａｌｏｎｇｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｂｏｒｄｅｒ ａｎｄｐｒｏｐａｇａｔｅａｌｏｎｇｐｌａｎｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｎｇｌｅｓｔｏａｘｉａｌｆｏｒｃｅ．Ｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｉｓｍａｉｎｌｙｉｎｔｈｅｂｌｕｎｔｉｎｇ-ｒｅｓｈａｒｐｅｎｉｎｇｍｅｃｈａ- ｎｉｓｍ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌ；ｌｏｗｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅ；ｆａｔｉｇｕｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｆｒａｃｔｕｒｅ 收稿日期：2010--03--09 工程中很多结构 （如压力容器、高压管道、桥梁 结构和飞机起落架 ）的失效都是由低周疲劳引起 的 ［1--4］因此深入研究材料的低周疲劳特性从而事 先对材料或结构进行设计与剩余寿命评估具有重 要意义．10ＣｒＮｉＭｏ钢是一种屈服强度大于 785ＭＰａ 的低合金高强度高韧性结构钢主要用于船舶、压力 容器等重要产品在我国船舶工业中占据重要地 位 ［5］．薛钢 ［6］曾研究了表面压应力对该钢高低周疲 劳性能的影响笔者也曾研究该钢在低周疲劳过程 中的循环软硬化特性 ［7］及弹性模量的损伤特性 ［8］ 等然而却未见到对该材料低周疲劳特性进行系统 研究的报道． 本文采用圆形横截面光滑试样通过轴向不同 应变幅控制的低周疲劳试验研究了10ＣｒＮｉＭｏ高强 钢的低周疲劳特性并对裂纹扩展方向及试样疲劳 断口进行观察分析以期为该钢的工程应用提供 依据． 1 试验材料与方法 试验材料为10ＣｒＮｉＭｏ高强度结构钢热处理状 态为调质态具体工艺为 900℃1∙5ｈ＋650℃ 2∙5ｈ其金相组织为具有马氏体板条特征的回火索 氏体组织见图 1．钢板厚度为 26ｍｍ其化学成分 及常规力学性能见文献 ［5］． 沿轧制方向进行取样加工成光滑等截面圆棒 形工作部分名义直径为 10ｍｍ具体尺寸见图 2． DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2011．01．004
第1期 张亚军：10CNMo高强钢的低周疲劳特性 .23 力应变关系方程 750 700 aW/(ZA 6508 号00 。试验数据 一拟合曲线 550 20 um 5000 0.002 0.004 0.006 0.008 图1试验材料的金相组织 △E/2 Fig 1 Metallurgical structure of the test material 图3试验材料循环应力应变曲线 25 R>30 Fg3 Cyelic stmess stmain curve of the test material 2.2低周疲劳应变寿命曲线 M anson Coffin方程认为低周疲劳弹性应变幅 50 010 50 (△e。2)、塑性应变幅（△e。2)与失效反向数(2N) 图2试样形状与尺寸（单位：毫米） 呈指数关系，可用下式表示山 Fig 2 Shape and dinension of he specmen (unit mm) 告告学+)y 2 E (2) 试验依据文献[9]，在MTS810-100kN电液伺 服材料试验机上进行，采用MTS634.11F-24应变 式中：△e,2为总应变幅；o为疲劳强度系数，MPa 引伸计控制不同级别应变.以总应变范围作为控制 E为试验材料的弹性模量，MPab为疲劳强度指数； 参数和受检参数，应变比为一1，波形为三角波，所有 E为疲劳延性系数；c为疲劳延性指数，在双对数 试样加载频率均为0.2Ha应变幅分别为0.30%、 坐标上绘出应变寿命曲线，见图4 0.33%、0.40%、0.60%、0.80%和1.00%六个级 0 o△Ef2-2Y数据口△e2-2W数据 别，原则上每个级别不少于三个试样，控制振幅的门 △△e/2-2N数据 一拟合曲线 槛值（应变的峰值或谷值衰减的百分数）为50%，失 102 AE/2 效门槛值（滞后环的压缩部分出现拐点处的应力达 到稳定应力范围的百分数)为20%.试验在室温、 等10 △e/2 空气中进行 104 2试验结果与分析 2 2.1循环应力应变行为 1010 103 10 10 10 2N/周 材料的循环应力应变性能是低周疲劳研究的 个重要方面，反映了材料在低周疲劳条件下的真 图4试验材料的△e2一2N曲线图 实应力应变特性，通常用循环应力应变曲线表 Fig 4 Ae/2-2N curves of the test material 示，图3是试验材料循环应力应变关系曲线，此曲 根据图4中试验数据，获得四个基本低周疲劳 线可用下列公式表示， 性能参数σE为0.007516，e{为3.5778b为 -0.08570c为-0.9523. (1) 从图4可见，△e。2-2N曲线和△E。2-一2N曲 式中，△σ2为循环应力幅，△。2为塑性应变幅，K' 线有交点，说明存在疲劳过渡寿命2N,2N,满足下 为循环强度系数，n为循环应变硬化指数，对图3 列关系式山： 中的应力应变数据进行回归分析，确定出K和n 1/(b-d 2N,= (3) 分别为1094.4MPa和0.05328，将这两个疲劳性能 参数代入式(1)中，就可以得到试验材料的循环应 经过计算可知，2N为1230周，N,为615周.疲
第 1期 张亚军： 10ＣｒＮｉＭｏ高强钢的低周疲劳特性 图 1 试验材料的金相组织 Ｆｉｇ．1 Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｔｅｓｔｍａｔｅｒｉａｌ 图 2 试样形状与尺寸 （单位：毫米 ） Ｆｉｇ．2 Ｓｈａｐｅａｎｄｄｉｍｅｎｓｉｏｎｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎ（ｕｎｉｔ：ｍｍ） 试验依据文献 ［9］在 ＭＴＳ810--100ｋＮ电液伺 服材料试验机上进行采用 ＭＴＳ634∙11Ｆ--24应变 引伸计控制不同级别应变．以总应变范围作为控制 参数和受检参数应变比为 －1波形为三角波所有 试样加载频率均为 0∙2Ｈｚ应变幅分别为 0∙30％、 0∙35％、0∙40％、0∙60％、0∙80％ 和 1∙00％ 六 个 级 别原则上每个级别不少于三个试样控制振幅的门 槛值 （应变的峰值或谷值衰减的百分数 ）为 50％失 效门槛值 （滞后环的压缩部分出现拐点处的应力达 到稳定应力范围的百分数 ）为 20％．试验在室温、 空气中进行． 2 试验结果与分析 2∙1 循环应力--应变行为 材料的循环应力--应变性能是低周疲劳研究的 一个重要方面反映了材料在低周疲劳条件下的真 实应力--应变特性通常用循环应力--应变曲线表 示．图 3是试验材料循环应力--应变关系曲线此曲 线可用下列公式表示 ［10］： Δσ 2 ＝Ｋ′ Δεｐ 2 ｎ′ （1） 式中Δσ／2为循环应力幅Δεｐ／2为塑性应变幅Ｋ′ 为循环强度系数ｎ′为循环应变硬化指数．对图 3 中的应力--应变数据进行回归分析确定出 Ｋ′和 ｎ′ 分别为 1094∙4ＭＰａ和 0∙05328将这两个疲劳性能 参数代入式 （1）中就可以得到试验材料的循环应 力--应变关系方程． 图 3 试验材料循环应力--应变曲线 Ｆｉｇ．3 Ｃｙｃｌｉｃｓｔｒｅｓｓ-ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅｔｅｓｔｍａｔｅｒｉａｌ 2∙2 低周疲劳应变--寿命曲线 Ｍａｎｓｏｎ-Ｃｏｆｆｉｎ方程认为低周疲劳弹性应变幅 （Δεｅ／2）、塑性应变幅 （Δεｐ／2）与失效反向数 （2Ｎｆ） 呈指数关系可用下式表示 ［11］： Δεｔ 2 ＝ Δεｅ 2 ＋ Δεｐ 2 ＝ σ′ｆ Ｅ （2Ｎｆ） ｂ＋ε′ｆ（2Ｎｆ） ｃ （2） 式中：Δεｔ／2为总应变幅；σ′ｆ为疲劳强度系数ＭＰａ； Ｅ为试验材料的弹性模量ＭＰａ；ｂ为疲劳强度指数； ε′ｆ为疲劳延性系数；ｃ为疲劳延性指数．在双对数 坐标上绘出应变--寿命曲线见图 4． 图 4 试验材料的 Δε／2－2Ｎｆ曲线图 Ｆｉｇ．4 Δε／2－2Ｎｆｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅｔｅｓｔｍａｔｅｒｉａｌ 根据图 4中试验数据获得四个基本低周疲劳 性能参数 σ′ｆ／Ｅ为 0∙007516ε′ｆ为 3∙5778ｂ为 －0∙08570ｃ为 －0∙9523． 从图 4可见Δεｅ／2－2Ｎｆ曲线和 Δεｐ／2－2Ｎｆ曲 线有交点说明存在疲劳过渡寿命 2Ｎｔ2Ｎｔ满足下 列关系式 ［11］： 2Ｎｔ＝ ε′ｆＥ σ′ｆ 1／（ｂ－ｃ） （3） 经过计算可知2Ｎｔ为 1230周Ｎｔ为 615周．疲 ·23·
.24 北京科技大学学报 第33卷 劳过渡寿命是低周疲劳性能的关键指标之一，它主 900 要取决于材料的强度和延性，对疲劳设计有重要意 750 义2).当失效反向数2N大于疲劳过渡寿命2N时， 饰 弹性应变幅对疲劳寿命的贡献远大于塑性应变幅的 贡献，材料的强度对寿命起决定作用：当失效反向数 450 2N小于疲劳过渡寿命2N时，塑性应变幅对疲芳寿 300 命的贡献大于弹性应变幅的贡献，此时材料的疲劳 10.30%20.35%3—0.40% 150 40.609%50.80%6一1.009% 寿命不但取决于其强度，更主要取决于其塑性， 10CNMo钢的疲劳过渡寿命比较靠近△e2一2N 10 10 10P 103 109 105 曲线的左侧，在2N,点的左侧，塑性变形远大于弹性 M周 变形，此时的疲劳强度主要由塑性变形控制，决定因 图5不同应变幅下材料循环应力响应曲线 素是材料的塑性，产生疲劳的应变幅较大，周次较 Fig 5 Cyelic stress response cnuves of the test material under differ 低，因此如需获得好的低周疲劳性能，应着眼于提高 ent strain amplitides 材料的塑性，减少应变局部化，降低裂纹早期萌生的 1.00%范围内，随应变幅的增加，滞后回线面积增 几率 加：当应变幅在0.30%~0.40%范围内，在初始循 2.3低周疲劳循环应力响应曲线 环中，塑性应变几乎为零，因此滞后回线的面积也为 材料在0.30%~1,00%应变幅下的循环特性 零.当应变量为1.00%时，回线开始重合的循环次 见图5从图5可以看出，当应变幅在0.40%~ 数为三个，当应变量为0.80%、0.60%、0.40%、 1.00%的范围内变化时，材料从一开始就表现出循 0.33%和0.30%时，从循环一开始，滞后回线就达 环软化的特性，且应变幅越大，软化速率越高，在以 到重合状态 上应变范围内，对于每一级应变幅，随着循环次数的 滞后回线的面积代表了材料塑性应变能，面积 增加，这种软化趋势也在增加，直至试样失效；但当 越大，表明在外加载荷作用下，材料塑性变形越大， 应变幅为0.30%和0.35%时，材料均约在前五个循 从而积聚的塑性变形功越多，材料越容易发生损伤， 环内表现出循环硬化特性，随着循环周次的进行，再 因此常常将塑性应变能作为材料损伤判据的一个重 逐步趋于循环饱和，然后轻微循环软化，直至试样 要指标，对10CNMo钢而言，当应变幅小于等于 失效 0.40%时，塑性应变能几乎为零，因此对材料的损伤 可见，10CNMo钢的循环软硬化特性依赖于外 不大；当应变幅大于等于0.60%时，随着应变幅的 加应变幅的大小.在大应变幅控制下，该材料表现 增加，塑性应变能在逐渐增加，材料受损伤的情况越 出明显的循环软化趋势，但在小应变幅控制下，该材 来越严重， 料却表现出先循环硬化，然后迅速趋于循环饱和，再 2.5裂纹扩展面与轴向力的夹角 轻微循环软化直至断裂的特性，笔者曾通过透射电 从试验结果看，10CNMo钢裂纹扩展面与轴向 镜观察了该材料在不同应变幅控制下试样断口的微 力的夹角并不唯一，具有45°、60和90等多角度情 观特征，并采用位错理论解释了该材料软硬化特性 况，见图7 的微观机理) 材料裂纹扩展面与轴向力呈现多种夹角的情 2.4力学滞后现象 况，主要和疲劳裂纹的扩展有关，疲劳裂纹扩展一 图6给出了10CNMo钢六种应变幅1.00%、 般分为两个阶段.第一个阶段是沿着最大切应力的 0.80%、0.60%、0.40%、0.33%和0.30%控制下的 滑移平面，和拉应力方向呈45向前扩展，这时的裂 迟滞回线.回线的宽度可用下式表示，宽度越宽 纹源在试样表面有多处，但大多数显微裂纹较早地 应变滞后越大， 就停止扩展，为非扩展裂纹，只有少数几个可延伸几 W=A.N (4) 十个微米的长度，亦即23个晶粒尺寸的范围，当 式中：W为回线宽度，mm;N为恒应力下循环次数；A 长度再增加，裂纹便转向和拉应力方向垂直，这就是 为常数；q为表征硬化速率的量， 裂纹扩展的第二阶段，在第一个阶段通常只有一个 从图6(a)~(D中可以看出，10CNMo钢滞后 裂纹扩展，裂纹从第一个阶段向第二个阶段转变的 回线的宽度在应变幅一定时与循环次数无明显关 快慢，取决于材料本身特性和应力幅两个因素，在 系，但与应变幅大小相关.当应变幅在0.40%~ 一般材料中，第一阶段的长度都是很短的，而在一些
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 劳过渡寿命是低周疲劳性能的关键指标之一它主 要取决于材料的强度和延性对疲劳设计有重要意 义 ［12］．当失效反向数 2Ｎｆ大于疲劳过渡寿命 2Ｎｔ时 弹性应变幅对疲劳寿命的贡献远大于塑性应变幅的 贡献材料的强度对寿命起决定作用；当失效反向数 2Ｎｆ小于疲劳过渡寿命 2Ｎｔ时塑性应变幅对疲劳寿 命的贡献大于弹性应变幅的贡献此时材料的疲劳 寿命不但取决于其强度更主要取决于其塑性． 10ＣｒＮｉＭｏ钢的疲劳过渡寿命比较靠近 Δε／2－2Ｎｆ 曲线的左侧在 2Ｎｔ点的左侧塑性变形远大于弹性 变形此时的疲劳强度主要由塑性变形控制决定因 素是材料的塑性产生疲劳的应变幅较大周次较 低因此如需获得好的低周疲劳性能应着眼于提高 材料的塑性减少应变局部化降低裂纹早期萌生的 几率． 2∙3 低周疲劳循环应力响应曲线 材料在 0∙30％ ～1∙00％应变幅下的循环特性 见图 5．从图 5可以看出当应变幅在 0∙40％ ～ 1∙00％的范围内变化时材料从一开始就表现出循 环软化的特性且应变幅越大软化速率越高．在以 上应变范围内对于每一级应变幅随着循环次数的 增加这种软化趋势也在增加直至试样失效；但当 应变幅为 0∙30％和 0∙35％时材料均约在前五个循 环内表现出循环硬化特性随着循环周次的进行再 逐步趋于循环饱和然后轻微循环软化直至试样 失效． 可见10ＣｒＮｉＭｏ钢的循环软硬化特性依赖于外 加应变幅的大小．在大应变幅控制下该材料表现 出明显的循环软化趋势但在小应变幅控制下该材 料却表现出先循环硬化然后迅速趋于循环饱和再 轻微循环软化直至断裂的特性．笔者曾通过透射电 镜观察了该材料在不同应变幅控制下试样断口的微 观特征并采用位错理论解释了该材料软硬化特性 的微观机理 ［7］． 2∙4 力学滞后现象 图 6给出了 10ＣｒＮｉＭｏ钢六种应变幅 1∙00％、 0∙80％、0∙60％、0∙40％、0∙35％和 0∙30％控制下的 迟滞回线．回线的宽度可用下式表示 ［13］宽度越宽 应变滞后越大 Ｗ＝Ａ·Ｎ －ｑ （4） 式中：Ｗ为回线宽度ｍｍ；Ｎ为恒应力下循环次数；Ａ 为常数；ｑ为表征硬化速率的量． 从图 6（ａ）～（ｆ）中可以看出10ＣｒＮｉＭｏ钢滞后 回线的宽度在应变幅一定时与循环次数无明显关 系但与应变幅大小相关．当应变幅在 0∙40％ ～ 图 5 不同应变幅下材料循环应力响应曲线 Ｆｉｇ．5 Ｃｙｃｌｉｃｓｔｒｅｓｓｒｅｓｐｏｎｓｅｃｒｕｖｅｓｏｆｔｈｅｔｅｓｔｍａｔｅｒｉａｌｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒ- ｅｎｔｓｔｒａｉｎａｍｐｌｉｔｕｄｅｓ 1∙00％范围内随应变幅的增加滞后回线面积增 加；当应变幅在 0∙30％ ～0∙40％范围内在初始循 环中塑性应变几乎为零因此滞后回线的面积也为 零．当应变量为 1∙00％时回线开始重合的循环次 数为三个当应变量为 0∙80％、0∙60％、0∙40％、 0∙35％和 0∙30％时从循环一开始滞后回线就达 到重合状态． 滞后回线的面积代表了材料塑性应变能面积 越大表明在外加载荷作用下材料塑性变形越大 从而积聚的塑性变形功越多材料越容易发生损伤 因此常常将塑性应变能作为材料损伤判据的一个重 要指标．对 10ＣｒＮｉＭｏ钢而言当应变幅小于等于 0∙40％时塑性应变能几乎为零因此对材料的损伤 不大；当应变幅大于等于 0∙60％时随着应变幅的 增加塑性应变能在逐渐增加材料受损伤的情况越 来越严重． 2∙5 裂纹扩展面与轴向力的夹角 从试验结果看10ＣｒＮｉＭｏ钢裂纹扩展面与轴向 力的夹角并不唯一具有 45°、60°和 90°等多角度情 况见图 7． 材料裂纹扩展面与轴向力呈现多种夹角的情 况主要和疲劳裂纹的扩展有关．疲劳裂纹扩展一 般分为两个阶段．第一个阶段是沿着最大切应力的 滑移平面和拉应力方向呈 45°向前扩展这时的裂 纹源在试样表面有多处但大多数显微裂纹较早地 就停止扩展为非扩展裂纹只有少数几个可延伸几 十个微米的长度亦即 2～3个晶粒尺寸的范围．当 长度再增加裂纹便转向和拉应力方向垂直这就是 裂纹扩展的第二阶段．在第一个阶段通常只有一个 裂纹扩展裂纹从第一个阶段向第二个阶段转变的 快慢取决于材料本身特性和应力幅两个因素．在 一般材料中第一阶段的长度都是很短的而在一些 ·24·
第1期 张亚军：10CNMo高强钢的低周疲劳特性 .25. 1000 一第1个循环 (a 1000 1000 -第1个循环 b -第1个循环 (e) 一第2个循环 一第2个循环 -第2个循环 500H 第3个循环 500 500 0 0 -500 -500 -500 △e2=l.00% △e2-0.80% △e2-0.60% -1000 -1000 -1000 -0.00875 00.003750.01000 -0.005 00.0050.010 -0.00250 0.00450.0080 应变，e 应变，e 应变，e 1000 d 1000 (e) 600 ) 第1个循环 -第1个循环 -第1个循环 500 -第2个循环 500 -第2个循环 200 一第2个循环 dKo 0 -200 益 -500 -500 -600 △e2-0.40% △82-0.35% △82-0.30% -1000 -1000 -1000 -0.00200.0020.04 -0.002 00.0020.004 _0.0022500.001250.00300 应变.￡ 应变，e 应变，e 图6不同应变幅下材料的力学滞后现象.(a)△e2=1.0%;(b)△e2=0.80%；(c)△e2=0.60以；(d)△e2=0.40%:(e)△e2= 0.35%;(D4e2=0.30% Fig 6 Mechanical hysteresis of the testmaterial underdifferent stman amnplitudes (a)2=1.00%:(b)2=0.8 (c)/2=0.6: (d)△e2=0.40%；(e)△e2=0.35;(0△e2=0.30% 取决于试验材料所施加的应变幅大小， 3试样断口观察 采用QUANTA-6O0扫描电子显微镜对 10CNMo钢低周疲劳断裂的试样（△e2=0.60%) 断口进行了观察，见图8~图11 图7裂纹扩展面与轴向力的不同夹角 Fig 7 Different angles of emack pmopagation planes to axal force 高强度镍基合金中，第一阶段可长达毫米的数量级， 有时甚至只有第一阶段叫.裂纹的第一阶段扩展 是由切应力分量控制的，而第二阶段则由拉应力 控制 本文中用到的10CNMo钢，镍的含量相对较 高，裂纹扩展面与轴向力（拉应力）的夹角呈现45°、 图8疲劳裂纹萌生的多源性特征 60和90等多种情况，主要是由于裂纹扩展的第一 Fig 8 Chamc teristics ofmulti-fatigue origns of fatigue crack initia- 阶段的长度不同造成的，当整个扩展过程只有第一 tion 阶段时裂纹扩展面与轴向力的夹角正好为45，第 二阶段裂纹扩展面与轴向力的夹角为90°，在从第 从图8可见，试样疲劳断口由裂纹萌生区(A 阶段向第二阶段过渡的过程中最终裂纹扩展面与 区)人、裂纹稳态扩展区(B区，约占试样断口面积的 轴向力的夹角变化范围应在45°~90之间，至于什 23)和裂纹失稳扩展至瞬断区(C区，约占试样断 么时候裂纹扩展开始转向（对应不同的夹角），主要 口面积的13)三部分组成，疲劳裂纹萌生具有多
第 1期 张亚军： 10ＣｒＮｉＭｏ高强钢的低周疲劳特性 图 6 不同应变幅下材料的力学滞后现象．（ａ） Δε／2＝1∙00％；（ｂ） Δε／2＝0∙80％；（ｃ） Δε／2＝0∙60％；（ｄ） Δε／2＝0∙40％；（ｅ） Δε／2＝ 0∙35％；（ｆ） Δε／2＝0∙30％ Ｆｉｇ．6 Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｏｆｔｈｅｔｅｓｔｍａｔｅｒｉａｌｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒａｉｎａｍｐｌｉｔｕｄｅｓ：（ａ）Δε／2＝1∙00％；（ｂ）Δε／2＝0∙80％；（ｃ）Δε／2＝0∙60％； （ｄ） Δε／2＝0∙40％；（ｅ） Δε／2＝0∙35％；（ｆ） Δε／2＝0∙30％ 图 7 裂纹扩展面与轴向力的不同夹角 Ｆｉｇ．7 Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｎｇｌｅｓｏｆｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｐｌａｎｅｓｔｏａｘｉａｌｆｏｒｃｅ 高强度镍基合金中第一阶段可长达毫米的数量级 有时甚至只有第一阶段 ［14］．裂纹的第一阶段扩展 是由切应力分量控制的而第二阶段则由拉应力 控制． 本文中用到的 10ＣｒＮｉＭｏ钢镍的含量相对较 高裂纹扩展面与轴向力 （拉应力 ）的夹角呈现 45°、 60°和 90°等多种情况主要是由于裂纹扩展的第一 阶段的长度不同造成的．当整个扩展过程只有第一 阶段时裂纹扩展面与轴向力的夹角正好为 45°第 二阶段裂纹扩展面与轴向力的夹角为 90°在从第 一阶段向第二阶段过渡的过程中最终裂纹扩展面与 轴向力的夹角变化范围应在 45°～90°之间至于什 么时候裂纹扩展开始转向 （对应不同的夹角 ）主要 取决于试验材料所施加的应变幅大小． 3 试样断口观察 采 用 ＱＵＡＮＴＡ--600扫 描 电 子 显 微 镜 对 10ＣｒＮｉＭｏ钢低周疲劳断裂的试样 （Δε／2＝0∙60％ ） 断口进行了观察见图 8～图 11． 图 8 疲劳裂纹萌生的多源性特征 Ｆｉｇ．8 Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍｕｌｔｉ-ｆａｔｉｇｕｅｏｒｉｇｉｎｓｏｆｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｉｎｉｔｉａ- ｔｉｏｎ 从图 8可见试样疲劳断口由裂纹萌生区 （Ａ 区 ）、裂纹稳态扩展区 （Ｂ区约占试样断口面积的 2／3）和裂纹失稳扩展至瞬断区 （Ｃ区约占试样断 口面积的 1／3）三部分组成．疲劳裂纹萌生具有多 ·25·
,26 北京科技大学学报 第33卷 的周期作用下，试样表面的多处薄弱部位就会萌生 疲劳裂纹，图9显示，疲劳裂纹大都萌生于试样表 面的机加工刀痕处.在疲劳裂纹稳定扩展的中后 期，发现明显的疲劳辉纹，辉纹的方向和裂纹的扩展 方向相垂直，辉纹中也发现明显的微裂纹，见图10 可见，疲劳裂纹是按照锐化钝化机制扩展的，即裂 纹尖端反复锐化钝化向前扩展，在裂纹面上留下了 一条条的痕迹一疲劳辉纹，在瞬断区，表现为典 型的韧窝特征，见图11韧窝是金属延性断裂的主 要微观特征，是材料在微区范围内塑性变形产生的 显微空洞，经形核、长大和聚集，最后相互连接而导 图9疲劳裂纹源为机加工刀痕 致断裂后，在断口表面上留下的痕迹， Fg9 Fatigue crack nitiated fmm machining toolmarks 4结论 (1)10CNMo高强钢的循环应力应变曲线方 程及应变-寿命关系曲线方程分别为△σ2= 1094.4X(△en2).s38和△e,2=0.007516· (2N)-0.0+3.5778X(2N)-0.23,该钢的疲劳过 渡寿命2N为1230周. (2)10CNMo高强钢的循环软硬化特性依赖于 外加应变幅的大小.当应变幅在0.4%~1.0%范围 变化时，材料表现出循环软化的特性，且应变幅越 大，循环软化速率越高；当应变幅在0.30%~ 0.40%范围变化时，材料表现出先硬化，然后迅速趋 图10疲劳裂纹稳定扩展区的辉纹特征 于循环饱和，再轻微循环软化直至断裂的特性， Fig 10 Fatigue striations in the steady fatigue crack grow th district (3)在低周疲劳过程中，当应变幅在0.60%~ 1.00%变化时，10CNMo高强钢存在明显的应变滞 后现象；当应变幅在0.30%~0.40%变化时，应变 滞后现象不明显， (4)10CNMo钢裂纹扩展面与轴向力的夹角具 有45°60和90等多角度特征，这主要取决于材料 的本身特性及不同应变幅作用 (5)10CNMo钢低周疲劳裂纹萌生于试样表 面，沿断口周边分布，且具有多源性特征，裂纹按锐 化钝化机制扩展， 参考文献 图11最后断裂区的韧窝特征 [1]Wang W G.Zheng W.Study on bwcycle fatigue damage of Fig 11 Diples in the lst fracture district 12ClM oV steel Sci TechnolMater 2005.13(2):193 (王卫国，郑雯.12CMV钢低周疲劳损伤研究，材料科学 源性，即从试样表面多处萌生了疲劳裂纹，这一方 与工艺，200513(2)：193) 面是由于试样表面处于平面应力状态，有利于塑性 [2]Zeng Q X.HeG Q.Chen C A study on the kw -cyele fatigue characteristics and m icmo mechanisms of a high"strength steel J 滑移的进行，形成挤出和挤入滑移带，从而形成为微 Southwest Jiaotong Univ 1999 34(2):190 裂纹的核；另一方面，试样表面难免有加工痕迹（如 (僧庆祥，何国求，陈成澍。一种高强度钢的低周疲芳特性及 切削刀痕)的影响、环境腐蚀的影响等，在较大应变 其微观机理的研究.西南交通大学学报。1999,34(2)：190)
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 图 9 疲劳裂纹源为机加工刀痕 Ｆｉｇ．9 Ｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｉｎｉｔｉａｔｅｄｆｒｏｍｍａｃｈｉｎｉｎｇｔｏｏｌｍａｒｋｓ 图 10 疲劳裂纹稳定扩展区的辉纹特征 Ｆｉｇ．10 Ｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｉａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｓｔｅａｄｙｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈｄｉｓｔｒｉｃｔ 图 11 最后断裂区的韧窝特征 Ｆｉｇ．11 Ｄｉｍｐｌｅｓｉｎｔｈｅｌａｓｔｆｒａｃｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｃｔ 源性即从试样表面多处萌生了疲劳裂纹．这一方 面是由于试样表面处于平面应力状态有利于塑性 滑移的进行形成挤出和挤入滑移带从而形成为微 裂纹的核；另一方面试样表面难免有加工痕迹 （如 切削刀痕 ）的影响、环境腐蚀的影响等．在较大应变 的周期作用下试样表面的多处薄弱部位就会萌生 疲劳裂纹．图 9显示疲劳裂纹大都萌生于试样表 面的机加工刀痕处．在疲劳裂纹稳定扩展的中后 期发现明显的疲劳辉纹辉纹的方向和裂纹的扩展 方向相垂直辉纹中也发现明显的微裂纹见图 10． 可见疲劳裂纹是按照锐化 －钝化机制扩展的即裂 纹尖端反复锐化钝化向前扩展在裂纹面上留下了 一条条的痕迹－－－疲劳辉纹．在瞬断区表现为典 型的韧窝特征见图 11．韧窝是金属延性断裂的主 要微观特征是材料在微区范围内塑性变形产生的 显微空洞经形核、长大和聚集最后相互连接而导 致断裂后在断口表面上留下的痕迹． 4 结论 （1）10ＣｒＮｉＭｏ高强钢的循环应力--应变曲线方 程及 应 变--寿 命 关 系 曲 线 方 程 分 别 为 Δσ／2＝ 1094∙4× （Δεｐ／2） 0∙05328和 Δεｔ／2＝0∙007516´ （2Ｎｆ） －0∙08570＋3∙5778×（2Ｎｆ） －0∙9523该钢的疲劳过 渡寿命 2Ｎｔ为 1230周． （2）10ＣｒＮｉＭｏ高强钢的循环软硬化特性依赖于 外加应变幅的大小．当应变幅在 0∙4％ ～1∙0％范围 变化时材料表现出循环软化的特性且应变幅越 大循 环 软 化 速 率 越 高；当 应 变 幅 在 0∙30％ ～ 0∙40％范围变化时材料表现出先硬化然后迅速趋 于循环饱和再轻微循环软化直至断裂的特性． （3）在低周疲劳过程中当应变幅在 0∙60％ ～ 1∙00％变化时10ＣｒＮｉＭｏ高强钢存在明显的应变滞 后现象；当应变幅在 0∙30％ ～0∙40％变化时应变 滞后现象不明显． （4）10ＣｒＮｉＭｏ钢裂纹扩展面与轴向力的夹角具 有 45°、60°和 90°等多角度特征这主要取决于材料 的本身特性及不同应变幅作用． （5）10ＣｒＮｉＭｏ钢低周疲劳裂纹萌生于试样表 面沿断口周边分布且具有多源性特征裂纹按锐 化--钝化机制扩展． 参 考 文 献 ［1］ ＷａｎｇＷ ＧＺｈｅｎｇＷ．Ｓｔｕｄｙｏｎｌｏｗ-ｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｄａｍａｇｅｏｆ 12Ｃｒ1ＭｏＶｓｔｅｅｌ．ＳｃｉＴｅｃｈｎｏｌＭａｔｅｒ200513（2）：193 （王卫国郑雯．12Ｃｒ1ＭｏＶ钢低周疲劳损伤研究材料科学 与工艺200513（2）：193） ［2］ ＺｅｎｇＱＸＨｅＧＱＣｈｅｎＣＳ．Ａｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｌｏｗ-ｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｍｉｃｒｏ-ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆａｈｉｇｈ-ｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌ．Ｊ ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖ199934（2）：190 （曾庆祥何国求陈成澍．一种高强度钢的低周疲劳特性及 其微观机理的研究．西南交通大学学报．199934（2）：190） ·26·