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 ·