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摘要： 应用超声疲劳试验方法专研了105～1010周次范畴中40Cr钢表现出的疲劳性能，设计其载荷频率20kHz，配合电子显微镜剖析疲劳端口样貌特点。统计结果发现，40Cr钢的S-N曲线始终维持下跌趋势，107、1010周次的疲劳强度形成了显著差异;显微分析发现，40Cr钢超声疲劳端口样貌和传统疲劳条件下的断口样貌没有形成显著差别，拓展区断口存在着显著的疲劳辉纹。
Abstract： The fatigue properties of 40Cr steel in 105-1010 cycles were studied using ultrasonic fatigue test method. The load frequency of 40Cr steel was designed to be 20kHz， and the characteristics of fatigue port were analyzed with electron microscope. The statistical results showed that the S-N curve of 40Cr steel always maintained a downward trend， and the fatigue strength of 107-1010 weeks formed a significant difference. Microscopic analysis shows that there is no significant difference between the ultrasonic fatigue port appearance of 40Cr steel and the fracture appearance of traditional fatigue condition， and there are significant fatigue striations at the fracture in the extended area.
关键词： 钢材;超声疲劳试验;疲劳断口;试验分析
Key words： steel;ultrasonic fatigue test;fatigue fracture;test analysis
中图分类号：TG142.15 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）21-0035-02
0 引言
材料在循环载荷反复作用下出现的破坏现象被叫做疲劳，疲劳已经成为当前很多汽车、飞机、钻井设备零部件的主要失效形式。在长期的研究中，材料疲劳已逐渐成为一门重要学科，和材料科学、力学、应用数据等诸门学科存在关联性。尽管在百余年的研究历程中，在材料疲劳损伤、断裂方面形成很多成果，但没有彻底解决疲劳问题[1]。既往有研究指出，很多工程机械内零部件服役期内其真实疲劳作业寿命在108～1010周次的超高周疲劳范畴，为提升结构抗疲劳强度设计效果，使其运行安全性得到更大保障，研究材料的超高周疲劳性能及断裂机理具有很大现实意义。
1 超声波试验原理
尽管国内外各实验室超声疲劳试验机械的结构存在差异，但均有一定类似性，其主要由试验控制和数据采集、试验加载及检测系统三大部分构成。图1是加载系统及应力和应变位移分布场。不难发现，振动系统处于换能器下方，有B、D两个位移驻点，均和位移幅是0的截面相对应;存有A、C、E三个应力驻点，应力幅均是零，但是位移幅取峰值的截面。在对称循环的工况下，E端是自由端。在具体试验中，可以通过调整交变电信号电压，能够整顿试样端部的位移幅值，试样中间截面上的应力幅值也会有所变动。在建立好超声疲劳系统后，最重要的工作内容是设计计算超声疲劳试样，使其有和系统振动频率等同的固定频率，同时也要设定好试样对应的振动位移应力系数。解析法、数值有限元法均是当前设计计算疲劳试样的常用方法，虽然前者操作过程较简单，但如果面对形状复杂的试样，很难获得解析值，而后者有效弥补了解析法的不足。
2 试验设计
2.1 试样选择
选择40Cr钢作为试验用材料（图2）[2]，化学成分构成：ω（C）、ω（Cr）、ω（Mn）、ω（Si）、分別为0.41%、0.95%、0.65%、0.27%，其他都是Fe。？准12的40Cr钢经845℃奥氏体化、水淬工序，降至565℃回火调质处置。
本课题研究中采用的超声振动频率20kHz，试样40Cr钢的动态弹性模量、密度分别210GPA、7820kg/m3;试样L1、R1、R2分别设计为1.5mm、5mm、14.1mm，谐振长度（L2）为16.4mm。为了方便机械化加工试样中部喇叭形，利用圆弧代替既往设计的中部喇叭形的曲线方程，此时可以忽略引起的几何、应力值偏差。利用下式计算出圆弧半径（R0）： MPa/um。
2.2 试验条件
选用轴向拉压对称循环载荷作为本次试验的载荷，载荷频率20kHz应力比（R）为-1。在室温条件下进行试验;振动试件时，因为能吸收掉部分超声振动能与材料内磨擦，出现较明显的溫升现象，试验操作中采用纯水冷却试样。针对超声疲劳试样的机械加工要求的设定，其和传统疲劳试样一致，纵向研磨处理中部试验段，使其表层光滑度（Ra）抵达0.32～0.64μm。用philip-XL30扫描电子显微镜分析疲劳断口微观样貌。
3 统计和分析试验结果
3.1 疲劳—寿命（S-N）曲线
图3为试样疲劳载荷下105～1010周次范畴中的S-N曲线，读图发现其同时给出了试样在传统疲劳载荷条件（f=83.3kHz，R=-1）107周次之下的疲劳寿命测试情况，把试验所得值拟合成Basquin方程[3]：σa=σ
式内，σ、b分别是疲劳强度系数、指数，后者也被叫做Basquin参数。观察试样超声疲劳高频与传统疲劳低频载荷条件下的Basquin参数拟合情况，统计传统疲劳试验值，当超出106循环周次，S-N曲线的改变表现出平缓性特征;但观察超声疲劳试验情况，在105～1010周次循环范畴中，伴随疲劳破坏循环数的增多，40Cr钢的S-N曲线呈现出增加趋势，循环应力幅持续走低，于106循环周次位置没有形成水平平台，曲线跌落趋势也未见显著波动。疲劳循环超过109周次以后，40Cr钢S-N曲线下跌趋势逐渐变得平缓。在105～1010周次区间中，对比两种不同疲劳状态下的S-N曲线，发现和疲劳性能相比，超声疲劳寿命更长久，但两者的S-N曲线降低趋势较类似。107周次条件下，常规、超声疲劳试验值分别是420MPa、444MPa;而到进展至1010周次循环时，40Cr钢试样的疲劳强度极限234MPa左右，可见107周次条件下的疲劳强度显著高于1010周次。
3.2 分析疲劳断口
选择σ=±500MPa，N=9.92×106试样，观察其在电子显微镜下的宏观断口样貌，发现在试样近表面的材料缺陷位置萌生了疲劳裂纹，其呈扇形朝向周边扩展。利用高倍镜放大观察裂纹源区图像，裂纹萌生缺陷周边存有单个扇形解理区，其断面相对较平整，和裂纹萌生缺陷配合组建了疲劳核心区[4]。观察应力幅有差别、105～109周次范畴中断裂的试样断口形貌，发现试样表层或近表层材料缺陷为超声疲劳裂纹萌生的集中区。可以把疲劳裂纹延展过程细化成两个阶段，穿晶断裂均占主导。首个阶段拓展区断面微观样貌相对较粗糙，其是很多解理断面和规格不等的凹坑组成的，该阶段扩展区中未见疲劳辉纹样貌。而第二阶段扩展区中存有和裂纹拓展方向统一的放射式线条，显微观察发现，疲劳裂纹拓展过程生成的撕裂愣就是放射线，该阶段端口微观样貌由疲劳辉纹、微坑共同构成，其中观察微坑可以发现其内存留着第二相粒子，局部位置能观察到二次裂纹，疲劳辉纹与二次及疲劳裂纹的拓展方向成角90°。利用高倍镜观察疲劳辉纹的样貌，发现短小、连贯性差是其主要特征，循环应力幅下降，裂纹第二阶段扩展区样貌特征出现较明显的改变，其断面相对较粗糙，在不同平键上裂纹均有一定拓展，小断裂平面与凹坑共同构成了扩展区断口样貌，但依然能观测到断断续续分布着疲劳辉纹，疲劳辉纹数目显著增加，不同辉纹间距扩增。
3.3 增加疲劳裂纹内部萌生寿命的方法
综合本课题研究的结果及既往形成的其他研究报告，金属材料疲劳断裂内的裂纹萌生有两种机制，及疲劳裂纹表面、内部萌生机制。可以尝试采用如下几种方法去增加疲劳裂纹内部萌生寿命[5]：一是调控第二相粒子的尺寸：微小的第二相粒子能使材料尽管在低应力幅条件下提升寿命;二是添加适宜的合金元素，部分合金元素对气体间隙原子或空位等点缺陷表现出较强的结合能力，容易演变成点缺陷的“陷阱”，可以有效延缓裂纹源夹杂周边点缺陷的聚集过程，抑制了裂纹长大速度，增加寿命;三是提升金属材料应力强度因子范畴门槛值，其作用机制是扩增疲劳裂纹的临界尺寸，增加裂纹萌生寿命，进而改善材料的疲劳性能。
4 结束语
通过本课题研究分析，掌握了40Cr钢的S-N曲线的走向及疲劳裂纹断口微观样貌特征。超声疲劳试验自身有较高的载荷频率，利用其研究分析金属材料的疲劳性能最大的特点是经济性高、能较快捷的获得和疲劳性能相关数据，特别是适用于研究107周次以上的超高周疲劳寿命长短问题上，值得进一步推广。
参考文献：
[1]源晨，宋竹满，李瑞，等.8.8级螺栓用ML40Cr钢的疲劳性能和裂纹扩展行为[J].材料研究学报，2019，78（10）：771-775.
[2]赵绍谚，刘萍，王海峰，等.预制混凝土塔筒钢筋螺纹套筒疲劳性能研究[J].船舶工程，2019，41（S1）：457-460.
[3]吝欢，杨卯生，舒佰坡，等.高氮不锈轴承钢高温旋弯疲劳性能及损伤机制[J].钢铁研究学报，2019，031（005）：475-484.
[4]刘雪键，彭文山，刘少通，等.含砂海水对40Cr钢加速冲刷腐蚀性能影响[J].装备环境工程，2019，16（03）：17-24.
[5]梁爽，朱鹏，王武荣，等.摩擦次表层结构演变对40Cr钢油润滑摩擦学行为的影响[J].材料保护，2020，53（02）：54-58.
Abstract： The fatigue properties of 40Cr steel in 105-1010 cycles were studied using ultrasonic fatigue test method. The load frequency of 40Cr steel was designed to be 20kHz， and the characteristics of fatigue port were analyzed with electron microscope. The statistical results showed that the S-N curve of 40Cr steel always maintained a downward trend， and the fatigue strength of 107-1010 weeks formed a significant difference. Microscopic analysis shows that there is no significant difference between the ultrasonic fatigue port appearance of 40Cr steel and the fracture appearance of traditional fatigue condition， and there are significant fatigue striations at the fracture in the extended area.
关键词： 钢材;超声疲劳试验;疲劳断口;试验分析
Key words： steel;ultrasonic fatigue test;fatigue fracture;test analysis
中图分类号：TG142.15 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）21-0035-02
0 引言
材料在循环载荷反复作用下出现的破坏现象被叫做疲劳，疲劳已经成为当前很多汽车、飞机、钻井设备零部件的主要失效形式。在长期的研究中，材料疲劳已逐渐成为一门重要学科，和材料科学、力学、应用数据等诸门学科存在关联性。尽管在百余年的研究历程中，在材料疲劳损伤、断裂方面形成很多成果，但没有彻底解决疲劳问题[1]。既往有研究指出，很多工程机械内零部件服役期内其真实疲劳作业寿命在108～1010周次的超高周疲劳范畴，为提升结构抗疲劳强度设计效果，使其运行安全性得到更大保障，研究材料的超高周疲劳性能及断裂机理具有很大现实意义。
1 超声波试验原理
尽管国内外各实验室超声疲劳试验机械的结构存在差异，但均有一定类似性，其主要由试验控制和数据采集、试验加载及检测系统三大部分构成。图1是加载系统及应力和应变位移分布场。不难发现，振动系统处于换能器下方，有B、D两个位移驻点，均和位移幅是0的截面相对应;存有A、C、E三个应力驻点，应力幅均是零，但是位移幅取峰值的截面。在对称循环的工况下，E端是自由端。在具体试验中，可以通过调整交变电信号电压，能够整顿试样端部的位移幅值，试样中间截面上的应力幅值也会有所变动。在建立好超声疲劳系统后，最重要的工作内容是设计计算超声疲劳试样，使其有和系统振动频率等同的固定频率，同时也要设定好试样对应的振动位移应力系数。解析法、数值有限元法均是当前设计计算疲劳试样的常用方法，虽然前者操作过程较简单，但如果面对形状复杂的试样，很难获得解析值，而后者有效弥补了解析法的不足。
2 试验设计
2.1 试样选择
选择40Cr钢作为试验用材料（图2）[2]，化学成分构成：ω（C）、ω（Cr）、ω（Mn）、ω（Si）、分別为0.41%、0.95%、0.65%、0.27%，其他都是Fe。？准12的40Cr钢经845℃奥氏体化、水淬工序，降至565℃回火调质处置。
本课题研究中采用的超声振动频率20kHz，试样40Cr钢的动态弹性模量、密度分别210GPA、7820kg/m3;试样L1、R1、R2分别设计为1.5mm、5mm、14.1mm，谐振长度（L2）为16.4mm。为了方便机械化加工试样中部喇叭形，利用圆弧代替既往设计的中部喇叭形的曲线方程，此时可以忽略引起的几何、应力值偏差。利用下式计算出圆弧半径（R0）： MPa/um。
2.2 试验条件
选用轴向拉压对称循环载荷作为本次试验的载荷，载荷频率20kHz应力比（R）为-1。在室温条件下进行试验;振动试件时，因为能吸收掉部分超声振动能与材料内磨擦，出现较明显的溫升现象，试验操作中采用纯水冷却试样。针对超声疲劳试样的机械加工要求的设定，其和传统疲劳试样一致，纵向研磨处理中部试验段，使其表层光滑度（Ra）抵达0.32～0.64μm。用philip-XL30扫描电子显微镜分析疲劳断口微观样貌。
3 统计和分析试验结果
3.1 疲劳—寿命（S-N）曲线
图3为试样疲劳载荷下105～1010周次范畴中的S-N曲线，读图发现其同时给出了试样在传统疲劳载荷条件（f=83.3kHz，R=-1）107周次之下的疲劳寿命测试情况，把试验所得值拟合成Basquin方程[3]：σa=σ
式内，σ、b分别是疲劳强度系数、指数，后者也被叫做Basquin参数。观察试样超声疲劳高频与传统疲劳低频载荷条件下的Basquin参数拟合情况，统计传统疲劳试验值，当超出106循环周次，S-N曲线的改变表现出平缓性特征;但观察超声疲劳试验情况，在105～1010周次循环范畴中，伴随疲劳破坏循环数的增多，40Cr钢的S-N曲线呈现出增加趋势，循环应力幅持续走低，于106循环周次位置没有形成水平平台，曲线跌落趋势也未见显著波动。疲劳循环超过109周次以后，40Cr钢S-N曲线下跌趋势逐渐变得平缓。在105～1010周次区间中，对比两种不同疲劳状态下的S-N曲线，发现和疲劳性能相比，超声疲劳寿命更长久，但两者的S-N曲线降低趋势较类似。107周次条件下，常规、超声疲劳试验值分别是420MPa、444MPa;而到进展至1010周次循环时，40Cr钢试样的疲劳强度极限234MPa左右，可见107周次条件下的疲劳强度显著高于1010周次。
3.2 分析疲劳断口
选择σ=±500MPa，N=9.92×106试样，观察其在电子显微镜下的宏观断口样貌，发现在试样近表面的材料缺陷位置萌生了疲劳裂纹，其呈扇形朝向周边扩展。利用高倍镜放大观察裂纹源区图像，裂纹萌生缺陷周边存有单个扇形解理区，其断面相对较平整，和裂纹萌生缺陷配合组建了疲劳核心区[4]。观察应力幅有差别、105～109周次范畴中断裂的试样断口形貌，发现试样表层或近表层材料缺陷为超声疲劳裂纹萌生的集中区。可以把疲劳裂纹延展过程细化成两个阶段，穿晶断裂均占主导。首个阶段拓展区断面微观样貌相对较粗糙，其是很多解理断面和规格不等的凹坑组成的，该阶段扩展区中未见疲劳辉纹样貌。而第二阶段扩展区中存有和裂纹拓展方向统一的放射式线条，显微观察发现，疲劳裂纹拓展过程生成的撕裂愣就是放射线，该阶段端口微观样貌由疲劳辉纹、微坑共同构成，其中观察微坑可以发现其内存留着第二相粒子，局部位置能观察到二次裂纹，疲劳辉纹与二次及疲劳裂纹的拓展方向成角90°。利用高倍镜观察疲劳辉纹的样貌，发现短小、连贯性差是其主要特征，循环应力幅下降，裂纹第二阶段扩展区样貌特征出现较明显的改变，其断面相对较粗糙，在不同平键上裂纹均有一定拓展，小断裂平面与凹坑共同构成了扩展区断口样貌，但依然能观测到断断续续分布着疲劳辉纹，疲劳辉纹数目显著增加，不同辉纹间距扩增。
3.3 增加疲劳裂纹内部萌生寿命的方法
综合本课题研究的结果及既往形成的其他研究报告，金属材料疲劳断裂内的裂纹萌生有两种机制，及疲劳裂纹表面、内部萌生机制。可以尝试采用如下几种方法去增加疲劳裂纹内部萌生寿命[5]：一是调控第二相粒子的尺寸：微小的第二相粒子能使材料尽管在低应力幅条件下提升寿命;二是添加适宜的合金元素，部分合金元素对气体间隙原子或空位等点缺陷表现出较强的结合能力，容易演变成点缺陷的“陷阱”，可以有效延缓裂纹源夹杂周边点缺陷的聚集过程，抑制了裂纹长大速度，增加寿命;三是提升金属材料应力强度因子范畴门槛值，其作用机制是扩增疲劳裂纹的临界尺寸，增加裂纹萌生寿命，进而改善材料的疲劳性能。
4 结束语
通过本课题研究分析，掌握了40Cr钢的S-N曲线的走向及疲劳裂纹断口微观样貌特征。超声疲劳试验自身有较高的载荷频率，利用其研究分析金属材料的疲劳性能最大的特点是经济性高、能较快捷的获得和疲劳性能相关数据，特别是适用于研究107周次以上的超高周疲劳寿命长短问题上，值得进一步推广。
参考文献：
[1]源晨，宋竹满，李瑞，等.8.8级螺栓用ML40Cr钢的疲劳性能和裂纹扩展行为[J].材料研究学报，2019，78（10）：771-775.
[2]赵绍谚，刘萍，王海峰，等.预制混凝土塔筒钢筋螺纹套筒疲劳性能研究[J].船舶工程，2019，41（S1）：457-460.
[3]吝欢，杨卯生，舒佰坡，等.高氮不锈轴承钢高温旋弯疲劳性能及损伤机制[J].钢铁研究学报，2019，031（005）：475-484.
[4]刘雪键，彭文山，刘少通，等.含砂海水对40Cr钢加速冲刷腐蚀性能影响[J].装备环境工程，2019，16（03）：17-24.
[5]梁爽，朱鹏，王武荣，等.摩擦次表层结构演变对40Cr钢油润滑摩擦学行为的影响[J].材料保护，2020，53（02）：54-58.