XCQ16和20Mn2车轴用钢疲劳失效的微观机理

D01:10.13374.isml00103x.2009.08.018 第31卷第8期 北京科技大学学报 Vol.31 No.8 2009年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ag2009 XCQ16和20Mn2车轴用钢疲劳失效的微观机理 黄重国)董红磊》袁清华) 井溢农2》 任学平3) 1)北京科技大学土木与环境工程学院。北京1000832)包头钢铁（集团）公司技术中心.包头014010 3)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要利用扫描电镜(SEM)对XCQ16和20M2两种车轴用钢疲劳断口和裂纹扩展断口进行分析，研究疲劳失效过程中的 裂纹萌生及扩展机理.结果表明：裂纹均是从试样表面萌生，非金属夹杂和位错是主要的萌生机制：XC016钢在疲劳断口中 部区的裂纹闭合效应大于20M2钢.裂纹扩展较慢：两者在裂纹扩展区的扩展机理不同，XCQ16钢属于塑性断裂20Mn2钢 属于解理断裂：在非金属夹杂上，XCQ16钢多含氧化物和硫化物的混合夹杂，20M2钢主要是氧化物夹杂，混合夹杂对材料的 疲劳性能影响较小。 关键词疲劳失效：断口分析：疲劳裂纹萌生：疲劳裂纹扩展：微观机理：非金属夹杂物 分类号TH1173 Microscopic mechanism of XCQ16 and 20Mn2 axle steel fatigue failure HUANGZhong-guo,DONG Hong-lei,YU AN Qing-hua.JING Yi-nong2.REN Xueping 1)School of Civil and Envimnmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beiing 100083,China 2)Technical Center.Baotou Iron Steel(Group)Ltd..Baotou 014010.Chim 3)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083 China ABSTRACT The fatigue fracture and crack propagation of XCQ16 and 20Mn2 axle steel were observed by SEM.Based on the ob- served results the mechanisms of fatigue crack initiation and propagation were studied.It is show n that cracks initiate from the sam- ple surfaces.The main mechanism of crack initiation is non-metallic inclusions and dislocations.The crack dosure effect of XCQ16 steel is stronger than 20Mn2 steel in crack propagation areas leading to a lower crack gowth rate The fracture mechanisms of the two steels are different:plastic fracture for XCQ16 and cleav age fracture for 20Mn2.Non-metallic inclusions in XCQ16 are composed of ox ide inclusions and sulfide inclusions but mainly oxide inclusions in 20Mn2 steel.The mixed inclusions in XCQ 16 steel have less effect on its fatigue property. KEY WORDS fatigue failure;fracture analy sis:fatigue crack initiation fatigue crack propagation:micnosoopic mechanism:non- metallic inclusio ns 车轴是半挂车运行和承载的重要部件，传统车 展是疲劳失效的主要过程，通过对疲劳断口形貌进 轴采用20Mn2钢通过三段焊接方式生产车轴. 行观察和分析，可以明确车轴用钢在疲劳破坏过程 XCQ16为包钢新开发的整体式半挂车车轴材料，与 的裂纹萌生和扩展的内在原因和规律. 传统流程相比，其生产工艺简单、重量轻、综合力学 材料疲劳极限反映了材料抵抗裂纹萌生的能 性能较好，且成本低廉，杜绝了焊接过程中的质量隐 力，而裂纹扩展速率则反映了材料抵抗裂纹扩展的 患，应用日趋广泛.车轴在使用过程中主要承受交 能力.本文通过对20Mn2和XCQ16两种车轴用无 变载荷，失效形式多为疲劳破坏.在交变载荷的作 缝钢管进行疲劳极限和裂纹扩展速率实验，利用 用下，材料的组织缺陷会发生不均匀的变化。从而萌 SEM对其疲劳断口和裂纹扩展断口进行宏观和局 生微观裂纹并扩展直至最终失效).裂纹萌生和扩 部微细观察和分析，研究其疲劳失效过程中的裂纹 收稿日期：200810-22 作者简介：黄重国(1965一)，男.副教授博士，E-mail:garyhuang@163.cm

XCQ16 和 20Mn2 车轴用钢疲劳失效的微观机理 黄重国1) 董红磊1) 袁清华1) 井溢农2) 任学平3) 1)北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 2)包头钢铁(集团)公司技术中心, 包头 014010 3)北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 摘 要 利用扫描电镜(SEM)对 XCQ16 和 20Mn2 两种车轴用钢疲劳断口和裂纹扩展断口进行分析, 研究疲劳失效过程中的 裂纹萌生及扩展机理.结果表明:裂纹均是从试样表面萌生, 非金属夹杂和位错是主要的萌生机制;XCQ16 钢在疲劳断口中 部区的裂纹闭合效应大于 20Mn2 钢, 裂纹扩展较慢;两者在裂纹扩展区的扩展机理不同, XCQ16 钢属于塑性断裂, 20Mn2 钢 属于解理断裂;在非金属夹杂上, XCQ16 钢多含氧化物和硫化物的混合夹杂, 20Mn2 钢主要是氧化物夹杂, 混合夹杂对材料的 疲劳性能影响较小. 关键词 疲劳失效;断口分析;疲劳裂纹萌生;疲劳裂纹扩展;微观机理;非金属夹杂物 分类号 TH 117.3 Microscopic mechanism of XCQ16 and 20Mn2 axle steel fatigue failure HUANG Zhong-guo 1), DONG Hong-lei 1), YU AN Qing-hua 1), J ING Yi-nong 2), REN X ue-ping 3) 1)School of Civil and Environment al Engineering , Universit y of Science and Technology Beijing , Beijing 100083 , China 2)Technical Cent er , Baot ou Iron &St eel(Group)Ltd., Baot ou 014010 , China 3)School of Mat erials Science and Engineering , University of S cience and Technology Beijing , Beijing 100083 , China ABSTRACT The fatigue fracture and crack propagation of XCQ16 and 20Mn2 axle steel were observed by SEM .Based on the ob￾served results, the mechanisms of fatig ue crack initiation and propagation were studied.It is show n that cracks initiate from the sam￾ple surfaces.The main mechanism of crack initiation is non-metallic inclusions and dislocations .The crack closure effect of XCQ16 steel is stronger than 20Mn2 steel in crack propagation areas, leading to a lower crack g rowth rate.The fracture mechanisms of the two steels are different :plastic fracture for XCQ16 and cleav ag e fracture for 20Mn2 .Non-metallic inclusions in XCQ16 are composed of ox ide inclusio ns and sulfide inclusions, but mainly oxide inclusionsin 20Mn2 steel.The mixed inclusions in XCQ16 steel have less effect on its fatigue property. KEY WORDS fatigue failure;fracture analy sis ;fatigue crack initiation;fatigue crack propagation ;micro scopic mechanism ;non￾metallic inclusio ns 收稿日期:2008-10-22 作者简介:黄重国(1965—), 男, 副教授, 博士, E-mail:garyhuang @163.com 车轴是半挂车运行和承载的重要部件, 传统车 轴采用 20Mn2 钢通过三段焊接方式生产车轴 . XCQ16 为包钢新开发的整体式半挂车车轴材料, 与 传统流程相比, 其生产工艺简单、重量轻、综合力学 性能较好 ,且成本低廉,杜绝了焊接过程中的质量隐 患,应用日趋广泛 .车轴在使用过程中主要承受交 变载荷 ,失效形式多为疲劳破坏 .在交变载荷的作 用下 ,材料的组织缺陷会发生不均匀的变化, 从而萌 生微观裂纹并扩展直至最终失效[ 1] .裂纹萌生和扩 展是疲劳失效的主要过程 ,通过对疲劳断口形貌进 行观察和分析 ,可以明确车轴用钢在疲劳破坏过程 的裂纹萌生和扩展的内在原因和规律 . 材料疲劳极限反映了材料抵抗裂纹萌生的能 力 ,而裂纹扩展速率则反映了材料抵抗裂纹扩展的 能力 .本文通过对 20M n2 和 XCQ16 两种车轴用无 缝钢管进行疲劳极限和裂纹扩展速率实验, 利用 SEM 对其疲劳断口和裂纹扩展断口进行宏观和局 部微细观察和分析, 研究其疲劳失效过程中的裂纹 第 31 卷 第 8 期 2009 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.8 Aug.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.08.018

第8期 黄重国等：XCQ16和20M2车轴用钢疲劳失效的微观机理 ·989。 萌生和扩展机理 轴为圆形断口的弦，约为6mm.检测结果表明，裂 纹源为单源，位置在轴表面.B区长度约为2mm,整 1实验材料和方法 个区域可见较为清晰的疲劳贝纹线.靠近裂纹源 11实验材料 区，贝纹线与源区内弧的凸向一致，贝纹线密集弯 实验材料选用XCQ16和20Mn2两种牌号的半 曲度大并伴有少量的二次裂纹.随着裂纹逐步扩 挂车车轴用无缝钢管，其化学成分如表1所示. 展，贝纹线逐渐变得平直、稀疏.C区面积约为整个 表1实验钢的化学成分（质量分数） 断口的20%，呈纤维状特征，在近表面处出现明显 Table I Chemical com position of test steel % 的剪切唇. 牌号 对XCQ16车轴管用钢裂纹源的形貌进行微观 C Si Mn XC016019027 1.54001540010 观察，发现该裂纹萌生于表面的非金属夹杂颗粒，如 20Mn20210271.50001450008 图2所示. t+ 考虑到材料在实际生产中的应用情况先对其 进行调质处理，调质处理的工艺为：加热至880℃ 保温30min,水淬：530℃▣火，保温90min,出炉空 冷，调质后的组织为回火索氏体组织，其力学性能 如表2所示. 表2实验钢的常规力学性能 Table 2 Conventional mechanical properties of the test steels 抗拉强度， 屈服强度 冲击值。 牌号 R/MPa Reos/MPa AK/% 图1XC016钢的宏观断口形貌 XC016 7933 Fig 1 Macm fractogmaphy of XCQ16 steel 6700 23.0 20Mn2 7944 667.44 23.5 提文火杂 12实验方法 疲劳极限实验在轴向疲劳实验机上开展，加载 频率为40Hz,循环系数r为01.实验在室温、空气 介质条件下进行，疲劳寿命预定为80万次.试样参 照标准GB3075一82金属轴向疲劳实验方法规定采 用标准圆棒试样，实验部分直径d=7mm.从每牌 号的车轴管中取15根试样进行疲劳极限实验. 疲劳裂纹扩展速率实验在MTS81013液压伺 图2XCO16钢裂纹源的微观形貌 服实验机上开展，加载频率为10Hz,固定载荷比R Fig.2 Micro fractography of XCQ16 in the crack initiation ana 为0.1.试样采用紧凑拉伸试样，试样尺寸设计参照 裂纹萌生及其最初扩展的方向与轴纵向成45° GB/T6398金属材料疲劳裂纹扩展速率实验方法规 角，之后裂纹方向逐渐转变为与车轴纵向垂直方向. 定，试样宽度W=60mm,厚度B=6mm. 因此裂纹萌生扩展的过程是首先在剪切应力作用 2轴向疲劳试样断口形貌分析 下，裂纹沿着与轴纵向成45角的方向萌生并开始 最初的扩展.之后，剪应力和正应力共同控制裂纹 在北京科技大学材料测试中心用CAM- 的扩展，使裂纹方向逐渐转向与轴纵向垂直的横截 BRIDGE S一360扫描电镜观察实验后试样的断口形 面方向.最后裂纹扩展完全受正应力控制，其扩展 貌图1为XCQ16钢的宏观断口形貌.从中可以看 路径彻底转向正应力作用方向？.裂纹源夹杂颗粒 出，断面划分为A、B和C三个区域.A区为断口裂 的形貌如图3所示.从图中可看出，夹杂物的形状 纹源区，B区为裂纹扩展区，C区为断口瞬断区， 为球形，尺寸约为3mm左右. A区断面光亮平整，其形状在整个断口面呈椭 裂纹在传播过程中遇到晶界时发生转折，使断 圆形，其短轴沿试样断口的直径方向约为3mm:长 口变得粗糙，由于裂纹源起始于表面，当裂纹持续扩

萌生和扩展机理 . 1 实验材料和方法 1.1 实验材料 实验材料选用 XCQ16 和 20M n2 两种牌号的半 挂车车轴用无缝钢管 ,其化学成分如表 1 所示 . 表 1 实验钢的化学成分(质量分数) Tabl e 1 Chemical com position of t est st eels % 牌号 C Si Mn P S XCQ16 0.19 0.27 1.54 0.0154 0.010 20M n2 0.21 0.27 1.50 0.0145 0.008 考虑到材料在实际生产中的应用情况, 先对其 进行调质处理, 调质处理的工艺为 :加热至 880 ℃, 保温 30 min ,水淬 ;530 ℃回火, 保温 90 min , 出炉空 冷.调质后的组织为回火索氏体组织, 其力学性能 如表 2 所示. 表 2 实验钢的常规力学性能 Table 2 Conventional mechanical properties of the t est st eels 牌号 抗拉强度, R m / MPa 屈服强度, R e 0.5 / MPa 冲击值, A KV / % XC Q16 793.3 670.0 23.0 20Mn2 794.4 667.44 23.5 1.2 实验方法 疲劳极限实验在轴向疲劳实验机上开展, 加载 频率为40Hz,循环系数 r 为 0.1 .实验在室温 、空气 介质条件下进行 ,疲劳寿命预定为 80 万次.试样参 照标准GB3075 —82 金属轴向疲劳实验方法规定采 用标准圆棒试样 ,实验部分直径 d =7 mm .从每牌 号的车轴管中取 15 根试样进行疲劳极限实验 . 疲劳裂纹扩展速率实验在 M TS 810.13 液压伺 服实验机上开展 ,加载频率为 10 Hz, 固定载荷比 R 为0.1 .试样采用紧凑拉伸试样,试样尺寸设计参照 GB/T6398 金属材料疲劳裂纹扩展速率实验方法规 定,试样宽度 W =60 mm ,厚度 B =6 mm . 2 轴向疲劳试样断口形貌分析 在北 京 科 技 大学 材 料 测 试 中 心 用 CAM￾BRIDGE S-360 扫描电镜观察实验后试样的断口形 貌,图 1 为 XCQ16 钢的宏观断口形貌.从中可以看 出,断面划分为 A 、B 和 C 三个区域.A 区为断口裂 纹源区,B 区为裂纹扩展区 ,C 区为断口瞬断区. A 区断面光亮平整 ,其形状在整个断口面呈椭 圆形, 其短轴沿试样断口的直径方向约为 3 mm ;长 轴为圆形断口的弦, 约为 6 mm .检测结果表明, 裂 纹源为单源 ,位置在轴表面 .B 区长度约为2 mm ,整 个区域可见较为清晰的疲劳贝纹线.靠近裂纹源 区 ,贝纹线与源区内弧的凸向一致 , 贝纹线密集, 弯 曲度大并伴有少量的二次裂纹 .随着裂纹逐步扩 展 ,贝纹线逐渐变得平直、稀疏.C 区面积约为整个 断口的 20 %,呈纤维状特征 , 在近表面处出现明显 的剪切唇. 对 XCQ16 车轴管用钢裂纹源的形貌进行微观 观察,发现该裂纹萌生于表面的非金属夹杂颗粒 ,如 图 2 所示. 图 1 XC Q16 钢的宏观断口形貌 Fig.1 Macro fractography of XCQ16 steel 图2 XC Q16 钢裂纹源的微观形貌 Fig.2 Micro fract ography of XCQ16 in the crack initiation area 裂纹萌生及其最初扩展的方向与轴纵向成 45° 角 ,之后裂纹方向逐渐转变为与车轴纵向垂直方向. 因此裂纹萌生扩展的过程是首先在剪切应力作用 下 ,裂纹沿着与轴纵向成 45°角的方向萌生并开始 最初的扩展.之后 , 剪应力和正应力共同控制裂纹 的扩展, 使裂纹方向逐渐转向与轴纵向垂直的横截 面方向.最后裂纹扩展完全受正应力控制, 其扩展 路径彻底转向正应力作用方向[ 2] .裂纹源夹杂颗粒 的形貌如图 3 所示 .从图中可看出 ,夹杂物的形状 为球形 ,尺寸约为 3 mm 左右. 裂纹在传播过程中遇到晶界时发生转折 ,使断 口变得粗糙 ,由于裂纹源起始于表面 ,当裂纹持续扩 第 8 期 黄重国等:XCQ16 和 20Mn2 车轴用钢疲劳失效的微观机理 · 989 ·

990 北京科技大学学报 第31卷 展时，剪应力分量较大.在正应力和剪应力的共同 作用下，裂纹张开时断面错开，再闭合，从而导致闭 合应力大大提高，有效应力减小，使得裂纹扩展变得 缓慢.裂纹扩展初期，晶界使裂纹扩展方向发生转 折，导致断口粗糙度的变化从而诱发闭合效应习 随着裂纹深度的增长，裂纹扩展时遇到的晶界越来 越多，闭合效应也越来越明显，导致裂纹扩展速率呈 下降趋势.图4是XC016和20Mn2两种车轴管用 钢在裂纹扩展区时的断口形貌.从图中明显看出， 图3XCQ16钢裂纹源夹杂的形貌 XCQ16的断口明显较20Mn2的断口粗糙.这与寿 Fig.3 Inclusion feat ure of XCQ16 steel in the crack initiation area 命吻合：XCQ16的循环次数为40万次，而20Mn2 ·打 b 图4XCQ16钢(a)和20Mn2钢)裂纹扩展区形貌 Fig 4 Appearances of crack propagation areas in XCQ16 (a)and 20Mn2 steel (b) 的循环次数为26万次 地表现为先上升，后延缓然后再上升.这点从上述 当裂纹扩展到一定深度后，裂纹处于拉应力状 裂纹的断口形貌上可以体现出来，裂纹源处断口形 态，而拉应力诱发的闭合效应不明显.图5为 貌较平整，试样在较大剪应力的作用下快速向前扩 XCQ16钢和20Mn2钢瞬断区的断口形貌.从图中 展.扩展到中部区时，剪应力逐渐变小，晶界的阻碍 可以看出，两种钢的形貌相似，没有扩展区形貌差别 作用开始明显，使断口变得相对粗糙，从而诱发闭合 大，说明瞬断区对材料寿命的影响较小 效应，使裂纹扩展速率减慢.在瞬断区，拉应力的作 对于单个试样来说，由疲劳裂纹扩展的一般规 用明显加强，试样的断口形貌类似于拉伸断口，出现 律可知：裂纹扩展先快后慢再快裂纹扩展速率相应 了大量韧窝.由于拉应力的方向越来越垂直于裂纹 回“"2"” 图5XCQ16钢(a)和20Mn2钢G)瞬断区形貌 Fig.5 Appearances of crack transient areas in XCQ16 (a)and 20Mn2 steel (b)

图 3 XCQ16 钢裂纹源夹杂的形貌 Fig.3 Inclusion feature of XCQ16 steel in the crack initiation area 展时 ,剪应力分量较大.在正应力和剪应力的共同 作用下 ,裂纹张开时断面错开, 再闭合, 从而导致闭 合应力大大提高, 有效应力减小 ,使得裂纹扩展变得 缓慢 .裂纹扩展初期 , 晶界使裂纹扩展方向发生转 折 ,导致断口粗糙度的变化, 从而诱发闭合效应 [ 3] . 随着裂纹深度的增长 , 裂纹扩展时遇到的晶界越来 越多,闭合效应也越来越明显,导致裂纹扩展速率呈 下降趋势 .图 4 是 XCQ16 和 20M n2 两种车轴管用 钢在裂纹扩展区时的断口形貌 .从图中明显看出, XCQ16 的断口明显较 20Mn2 的断口粗糙.这与寿 命吻合:XCQ16 的循环次数为 40 万次 , 而 20M n2 图 4 XCQ16 钢(a)和 20Mn2 钢(b)裂纹扩展区形貌 Fig.4 Appearances of crack propagation areas in XCQ16(a)and 20Mn2 st eel(b) 图 5 XCQ16 钢(a)和 20Mn2 钢(b)瞬断区形貌 Fig.5 Appearances of crack transient areas in XCQ16 (a)and 20Mn2 steel (b) 的循环次数为 26 万次. 当裂纹扩展到一定深度后 ,裂纹处于拉应力状 态,而 拉应力诱发的闭合 效应不明显 .图 5 为 XCQ16 钢和 20M n2 钢瞬断区的断口形貌 .从图中 可以看出 ,两种钢的形貌相似 ,没有扩展区形貌差别 大,说明瞬断区对材料寿命的影响较小 . 对于单个试样来说, 由疲劳裂纹扩展的一般规 律可知:裂纹扩展先快后慢再快,裂纹扩展速率相应 地表现为先上升, 后延缓,然后再上升.这点从上述 裂纹的断口形貌上可以体现出来, 裂纹源处断口形 貌较平整 ,试样在较大剪应力的作用下快速向前扩 展 .扩展到中部区时 ,剪应力逐渐变小 ,晶界的阻碍 作用开始明显,使断口变得相对粗糙 ,从而诱发闭合 效应 ,使裂纹扩展速率减慢.在瞬断区 ,拉应力的作 用明显加强 ,试样的断口形貌类似于拉伸断口, 出现 了大量韧窝 .由于拉应力的方向越来越垂直于裂纹 · 990 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第8期 黄重国等：XCQ16和20M2车轴用钢疲劳失效的微观机理 ·991。 扩展的方向，因此裂纹扩展速率再次呈上升趋 势+日 需要指明的是，并不是所有疲劳裂纹都是由非 金属夹杂引起，/3的实验试样在裂纹源处没有明 显的夹杂物、孔穴等缺陷，疲劳裂纹也会从试样表面 处萌生.金属材料属于多晶体材料，晶粒的取向杂 乱无章，各取向都有.有些晶粒处于软取向，其滑移 面上的分切应力较大.每个晶粒内部的位错密度和 形态各异，有些位错被钉扎不可动，有些容易移动. 如果在软取向上的晶粒内可移动位错较多，那么晶 图6XCQ16钢裂纹源区形貌 粒首先发生塑性变形，并随着循环次数的增加，塑性 Fig 6 Appearance of crack initiation area in XCQ16 steel 变形越来越大.从位错的角度来说。在交变载荷的 载荷方向垂直时，进入裂纹扩展的宏观阶段.在循 作用下，经多次的应力循环之后，在部分晶粒的局部 环应力的作用下，宏观裂纹扩展，最终完全断裂.对 地方出现滑移线，随着循环次数的增加，这些滑移线 于有裂纹缺陷的试样，裂纹扩展阶段的寿命是整个 变宽变深，在表面形成驻留滑移带.在驻留滑移带 疲劳寿命的主体，因此下面对裂纹扩展阶段的微观 的表面形成所谓的“挤出”和“挤入”，这些挤入在表 机理做进一步研究9一山 面上形成条带微裂纹一母 图6是XC016钢试样在循环次数为74万次时 3裂纹扩展断口形貌分析 的裂纹源区形貌.从图中可以看出，在试样表面并 对于有初始裂纹的试样，裂纹扩展断裂后的断 没有明显的夹杂物、孔穴等缺陷，相反在试样表面出 口形貌也分为三个区：在缺口根部为疲劳裂纹扩展 现许多条状的“挤出”和“挤入”.由此可以断定，此 根部区，中间是疲劳裂纹扩展区，末端为扩展的瞬 试样是由于位错而使裂纹萌生.从图中还可以看 断区. 出，裂纹萌生后在扩展的过程中遇到夹杂等大的颗 图7为XCQ16钢在裂纹扩展三个区的形貌. 粒时，裂纹的扩展方向发生了改变. 从图上可以看出，三个区存在明显的不同，并且有明 微裂纹形成后，随着循环次数的增加，裂纹继续 显的过渡.随着裂纹扩展速率的增加，裂纹的断裂 沿着与载荷方向约成45°角扩展，当裂纹扩展到与 形式由切面、解理到韧窝状态 b 中a第 使空#。 图7XCQ16钢裂纹扩展断口形貌。(a裂纹扩展根部区：(b)裂纹扩展中部区：(c)裂纹扩展瞬断区 Fig 7 Crack propagation fractography of XCQ16 steek (a)iritial area of crack propagation;(b)central area of crack pmopagation;(c)transient area of crack propagation 图8为XCQ16和20Mn2钢裂纹扩展根部的 组织形貌.从图中可以看出，裂纹扩展中部的形貌 组织形貌.从图上可以看到，裂纹扩展根部区属于 有很大差别.20M2断口属于解理断裂，在解理断 典型的延性疲劳裂纹，XCQ16试样断口的裂纹较 口上存在许多台阶，台阶相互交错形成河流状表现 深，裂纹是循环载荷作用时组织撕裂造成的，高韧性 为脆性疲劳形貌特征.XCQ16断口属于准解理形 容易造成这种撕裂撕裂过程中消耗了材料的能量. 貌，其与解理形貌有所不同，断口有许多弯曲的撕 图9为XCQ16和20Mn2钢裂纹扩展中部区的 裂棱

扩展的方向, 因此裂纹扩展速率再次呈上升趋 势[ 4-6] . 需要指明的是 ,并不是所有疲劳裂纹都是由非 金属夹杂引起 , 1/3 的实验试样在裂纹源处没有明 显的夹杂物、孔穴等缺陷 ,疲劳裂纹也会从试样表面 处萌生 .金属材料属于多晶体材料, 晶粒的取向杂 乱无章 ,各取向都有 .有些晶粒处于软取向 ,其滑移 面上的分切应力较大 .每个晶粒内部的位错密度和 形态各异,有些位错被钉扎不可动, 有些容易移动 . 如果在软取向上的晶粒内可移动位错较多, 那么晶 粒首先发生塑性变形 ,并随着循环次数的增加 ,塑性 变形越来越大.从位错的角度来说, 在交变载荷的 作用下,经多次的应力循环之后,在部分晶粒的局部 地方出现滑移线 ,随着循环次数的增加 ,这些滑移线 变宽变深,在表面形成驻留滑移带 .在驻留滑移带 的表面形成所谓的“挤出”和“挤入” ,这些挤入在表 面上形成条带微裂纹[ 7-8] . 图 6 是 XCQ16 钢试样在循环次数为 74 万次时 的裂纹源区形貌.从图中可以看出, 在试样表面并 没有明显的夹杂物、孔穴等缺陷,相反在试样表面出 现许多条状的“挤出” 和“挤入” .由此可以断定 , 此 试样是由于位错而使裂纹萌生.从图中还可以看 出,裂纹萌生后在扩展的过程中遇到夹杂等大的颗 粒时 ,裂纹的扩展方向发生了改变 . 微裂纹形成后, 随着循环次数的增加,裂纹继续 沿着与载荷方向约成 45°角扩展 ,当裂纹扩展到与 图 6 XC Q16 钢裂纹源区形貌 Fig.6 Appearance of crack initiati on area in XCQ16 st eel 载荷方向垂直时 , 进入裂纹扩展的宏观阶段 .在循 环应力的作用下, 宏观裂纹扩展 ,最终完全断裂.对 于有裂纹缺陷的试样 , 裂纹扩展阶段的寿命是整个 疲劳寿命的主体, 因此下面对裂纹扩展阶段的微观 机理做进一步研究[ 9 -11] . 3 裂纹扩展断口形貌分析 对于有初始裂纹的试样, 裂纹扩展断裂后的断 口形貌也分为三个区 :在缺口根部为疲劳裂纹扩展 根部区,中间是疲劳裂纹扩展区, 末端为扩展的瞬 断区. 图 7 为 XCQ16 钢在裂纹扩展三个区的形貌. 从图上可以看出, 三个区存在明显的不同 ,并且有明 显的过渡 .随着裂纹扩展速率的增加 ,裂纹的断裂 形式由切面 、解理到韧窝状态. 图 7 XCQ16 钢裂纹扩展断口形貌.(a)裂纹扩展根部区;(b)裂纹扩展中部区;(c)裂纹扩展瞬断区 Fig.7 Crack propagation fractography of XCQ16 st eel:(a)initial area of crack propagation;(b)central area of crack propagation;(c)transient area of crack propagati on 图 8 为 XCQ16 和 20Mn2 钢裂纹扩展根部的 组织形貌.从图上可以看到, 裂纹扩展根部区属于 典型的延性疲劳裂纹, XCQ16 试样断口的裂纹较 深,裂纹是循环载荷作用时组织撕裂造成的, 高韧性 容易造成这种撕裂, 撕裂过程中消耗了材料的能量 . 图 9 为 XCQ16 和 20Mn2 钢裂纹扩展中部区的 组织形貌 .从图中可以看出 ,裂纹扩展中部的形貌 有很大差别.20M n2 断口属于解理断裂 ,在解理断 口上存在许多台阶 ,台阶相互交错形成河流状, 表现 为脆性疲劳形貌特征.XCQ16 断口属于准解理形 貌 ,其与解理形貌有所不同 , 断口有许多弯曲的撕 裂棱. 第 8 期 黄重国等:XCQ16 和 20Mn2 车轴用钢疲劳失效的微观机理 · 991 ·

。992 北京科技大学学报 第31卷 @果5””二 b 图8XCQ16钢(a)和20M2钢(b)裂纹扩展根部区形貌 Fig 8 Crack propagation feature of XCQ16 steel (a)and 20Mn2 steel (b)in initial area 图9XCQ16钢(a)和20Mn2钢(b)裂纹扩展中部区形貌 Fig 9 Crack propagation feature of XCQ16 steel (a)and 20Mn2 steel(b)in central ana 图10为XC016和20Mn2钢裂纹扩展瞬断区 因此韧窝的形成是在拉伸撕裂的作用下形成的，韧 的组织形貌.从图中可以看出，瞬断区主要为韧窝 窝指向断裂源.韧窝尺寸的大小从几个微米到二十 断裂.韧窝的尺寸和形状取决于载荷条件与晶粒的 几微米.从图中可以看出，XCQ16的韧窝尺寸明显 尺寸、形状和分布9.由于该实验使用的是紧凑拉 小于20Mn2. 伸试件，并且试件承受的是应力比为01的正弦波， "2m 图10XCQ16钢(a)和20Mn2钢(b)裂纹扩展瞬断区形貌 Fig 10 Crack propagation feature of XCQ16 steel (a)and 20Mn2 steel (b)in transient area 程，疲劳裂纹的产生和发展首先是在材料局部应力 4非金属夹杂物的形貌分析 集中处开始的.夹杂物在金属的变形过程中，由于 疲劳破坏过程就是疲劳裂纹发生和传播的过 不能随金属基体发生变形，这样在它的周围就产生

图 8 XCQ16 钢(a)和 20Mn2 钢(b)裂纹扩展根部区形貌 Fig.8 Crack propagation feature of XCQ16 st eel(a)and 20Mn2 st eel (b)in initial area 图 9 XCQ16 钢(a)和 20Mn2 钢(b)裂纹扩展中部区形貌 Fig.9 Crack propagation feature of XCQ16 steel(a)and 20Mn2 steel(b)in central area 图 10 为 XCQ16 和 20Mn2 钢裂纹扩展瞬断区 的组织形貌 .从图中可以看出, 瞬断区主要为韧窝 断裂 .韧窝的尺寸和形状取决于载荷条件与晶粒的 尺寸、形状和分布[ 9] .由于该实验使用的是紧凑拉 伸试件,并且试件承受的是应力比为 0.1 的正弦波 , 因此韧窝的形成是在拉伸撕裂的作用下形成的, 韧 窝指向断裂源.韧窝尺寸的大小从几个微米到二十 几微米.从图中可以看出 ,XCQ16 的韧窝尺寸明显 小于 20M n2 . 图 10 XCQ16 钢(a)和 20Mn2 钢(b)裂纹扩展瞬断区形貌 Fig.10 Crack propagation f eature of XCQ16 st eel (a)and 20Mn2 st eel (b)in transient area 4 非金属夹杂物的形貌分析 疲劳破坏过程就是疲劳裂纹发生和传播的过 程 ,疲劳裂纹的产生和发展首先是在材料局部应力 集中处开始的.夹杂物在金属的变形过程中, 由于 不能随金属基体发生变形 ,这样在它的周围就产生 · 992 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷