18CrNiMo7-6合金鋼的彎曲微動疲勞特性

申顏團(tuán)，彭金方，徐志彪，劉建華，蔡振兵，朱旻昊,

(1 西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031； 2 西南交通大學(xué) 材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點實驗室，成都 610031)

18CrNiMo7-6合金鋼的彎曲微動疲勞特性

申顏團(tuán)1，彭金方1，徐志彪2，劉建華1，蔡振兵2，朱旻昊1,2

(1 西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031； 2 西南交通大學(xué) 材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點實驗室，成都 610031)

對18CrNiMo7-6合金鋼進(jìn)行彎曲微動疲勞實驗，建立彎曲微動疲勞S-N曲線，并對實驗結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：該合金鋼的彎曲微動疲勞S-N曲線不同于中碳鋼材料，也不同于常規(guī)彎曲疲勞，而是呈“ε”型曲線特征。隨著彎曲疲勞應(yīng)力的增加，微動運行區(qū)域由部分滑移區(qū)向混合區(qū)和滑移區(qū)轉(zhuǎn)變，損傷區(qū)的磨損機制以剝層、磨粒磨損和氧化磨損為主。在混合區(qū)內(nèi)，裂紋最易萌生和擴(kuò)展，且裂紋均萌生于材料接觸區(qū)次表面。受接觸應(yīng)力和彎曲疲勞應(yīng)力影響，彎曲微動疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展可分為三個階段：初期，在接觸應(yīng)力控制下，裂紋萌生于次表面；隨后，裂紋受接觸應(yīng)力和彎曲疲勞應(yīng)力共同控制，轉(zhuǎn)向更大角度方向擴(kuò)展；最后，裂紋完全受彎曲疲勞應(yīng)力控制而垂直于接觸表面擴(kuò)展，直至斷裂失效。

彎曲微動疲勞；微動損傷；疲勞壽命；裂紋擴(kuò)展

微動疲勞是指構(gòu)件接觸表面由于承受外界交變疲勞載荷引起變形而產(chǎn)生位移幅值極小的相對運動(通常在微米量級)，促使疲勞裂紋提前萌生和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致構(gòu)件過早失效破壞的現(xiàn)象[1,2]。國內(nèi)外相關(guān)研究表明，微動疲勞現(xiàn)象廣泛存在于機械、鐵路、電力、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域的各類緊固配合構(gòu)件當(dāng)中，它會促使材料接觸區(qū)域內(nèi)裂紋提前萌生并擴(kuò)展，造成其安全服役壽命大幅降低而過早失效破壞[3-7]。由于微動疲勞因素的影響，構(gòu)件的使用壽命普遍會降低20%～80%。18CrNiMo7-6合金鋼是一種傳動系統(tǒng)中常用的低碳合金結(jié)構(gòu)鋼，主要作為傳遞較大動力和承受較大載荷的傳動部件材料，目前廣泛應(yīng)用于機車牽引、風(fēng)力發(fā)電、起重運輸?shù)裙I(yè)領(lǐng)域，例如機車牽引電機的小齒輪軸[8]。本工作以18CrNiMo7-6合金鋼作為研究對象，通過彎曲微動疲勞實驗研究，深入分析了該材料的彎曲微動疲勞特性，旨在為其工程應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)和參考。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗選用的材料為18CrNiMo7-6合金鋼(σ0.2=925MPa，σb=1125MPa)。微動墊材料為40CrNi2MoA合金鋼(σ0.2=885MPa，σb=1018MPa)，用來模擬一對過盈配合接觸副，兩種材料的主要成分如表1所示。將18CrNiMo7-6合金鋼加工成圓柱試樣，尺寸圖如圖1所示，微動墊是尺寸為φ40mm×50mm的圓柱。實驗時，將圓柱試樣左端固定，微動墊與圓柱試樣在圖1中所示的A點位置接觸，接觸模式為圓柱/圓柱正交點接觸。彎曲疲勞載荷施加在B點位置，在彎曲疲勞載荷和法向接觸載荷的共同作用下，A點將產(chǎn)生微動損傷。

表1 實驗合金鋼的主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Main compositions of experimental alloy steels(mass fraction/%)

圖1 彎曲微動疲勞試樣尺寸圖Fig.1 Diagram of geometry for bending fretting fatigue specimen

1.2 實驗設(shè)備及參數(shù)

彎曲微動疲勞實驗是在EHF-UM100k2-040-0A型電液伺服疲勞試驗機上進(jìn)行，并自主設(shè)計了高精度彎曲微動疲勞實驗加載及夾持裝置。載荷加載頻率f=20Hz，加載應(yīng)力比R=0.1，正弦波加載。微動墊上的法向接觸載荷Fn=1000N，最大循環(huán)次數(shù)N=1×106。彎曲疲勞載荷通過σa,max=32FL/πd3可換算成對應(yīng)的最大彎曲應(yīng)力(表2)。其中，σa,max為最大彎曲應(yīng)力，F(xiàn)為彎曲疲勞載荷，L為彎曲疲勞載荷作用點和法向接觸載荷作用點之間的距離，即圖1中所示的AB兩點之間的距離，d為圓柱試樣的圓截面直徑。

利用BX60M型光學(xué)顯微鏡(OM)和JSM6610型掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行損傷微觀分析，研究不同循環(huán)次數(shù)和循環(huán)載荷對彎曲微動疲勞損傷的影響以及裂紋的萌生和擴(kuò)展規(guī)律。

表2 彎曲疲勞載荷與最大彎曲應(yīng)力Table 2 Bending fatigue load and maximal bending stress

2 結(jié)果及討論

2.1 彎曲微動疲勞S-N曲線

圖2為彎曲微動疲勞S-N曲線?？梢钥闯觯€具有以下特點：(1)隨著彎曲疲勞應(yīng)力的增加，材料的疲勞壽命呈明顯下降趨勢，且此疲勞壽命值遠(yuǎn)低于同等彎曲疲勞應(yīng)力下的常規(guī)彎曲疲勞值。這是因為，彎曲微動疲勞與常規(guī)彎曲疲勞相比，在其彎曲疲勞應(yīng)力和局部接觸應(yīng)力的共同作用下，局部塑性變形和應(yīng)力集中加劇，裂紋更易萌生和擴(kuò)展，以致材料過早斷裂失效。(2)在相同法向接觸應(yīng)力下，材料的疲勞壽命隨彎曲疲勞應(yīng)力的增加而明顯下降，但當(dāng)彎曲疲勞應(yīng)力達(dá)到一個臨界值后，其疲勞壽命卻隨彎曲疲勞應(yīng)力的增加而呈現(xiàn)出上升趨勢。不過，當(dāng)彎曲疲勞應(yīng)力繼續(xù)增加到一定數(shù)值后，材料的疲勞壽命又開始變?yōu)殡S其增加而下降。換言之，即材料的疲勞壽命隨彎曲疲勞應(yīng)力的增加，呈現(xiàn)先減小后增大然后再減小的變化趨勢，S-N曲線呈“ε”型曲線特征。Peng等[9-13]針對幾種金屬材料展開彎曲微動疲勞實驗研究，同樣得到了類似的S-N曲線特征；Hyukjae等[14]在拉壓微動疲勞方面的研究亦得到了類似的結(jié)果。此外，與中碳鋼材料(如LZ50鋼)的“C”型S-N曲線相比，18CrNiMo7-6合金鋼的“ε”型S-N曲線比其多出了疲勞壽命的第二次下降趨勢，這可能是由于中碳鋼材料的屈服強度遠(yuǎn)低于18CrNiMo7-6合金鋼屈服強度的緣故。(3)類似于微動磨損，隨著彎曲疲勞應(yīng)力的增加，彎曲微動疲勞也存在3個不同動態(tài)特性的微動運行區(qū)域：部分滑移區(qū)(Partial Slip Regime，PSR)、混合區(qū)(Mixed Regime，MR)和滑移區(qū)(Slip Regime，SR)，其分別對應(yīng)于材料響應(yīng)微動圖的輕微損傷區(qū)、裂紋區(qū)和磨損區(qū)。在部分滑移區(qū)，由于彎曲疲勞應(yīng)力較小，其引起的微動位移相對較小，微動損傷輕微，裂紋不易萌生和擴(kuò)展，材料運行1×106次實驗后，未發(fā)生斷裂。在混合區(qū)，材料接觸區(qū)域固定端一側(cè)的損傷帶內(nèi)可觀察到有微觀裂紋萌生并擴(kuò)展。這是因為，隨著彎曲疲勞應(yīng)力的增加，材料接觸界面間的微動位移增大，聯(lián)合法向接觸應(yīng)力的作用，使得材料在接觸界面間塑性累積增多，塑性變形加劇，材料剝落形成凹坑，誘使裂紋在凹坑位置萌生和擴(kuò)展。在此區(qū)域內(nèi)，材料的疲勞壽命先是急劇下降，在最大彎曲疲勞應(yīng)力達(dá)到951.2MPa(彎曲疲勞載荷為8.50kN)時，疲勞壽命達(dá)到最低，此即為臨界點。之后，隨著彎曲疲勞應(yīng)力的繼續(xù)增加，材料接觸界面間微動位移繼續(xù)增大，磨損加劇，材料的磨損速率逐漸超過裂紋的萌生速率，致使裂紋還未來得及擴(kuò)展便已隨著材料的磨損而被去除，裂紋的萌生和擴(kuò)展受到抑制，因此，材料的疲勞壽命轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)出上升趨勢。在滑移區(qū)，當(dāng)彎曲疲勞應(yīng)力增加到一定數(shù)值后，材料的疲勞壽命又再次轉(zhuǎn)而隨之下降，這是因為此時的彎曲疲勞應(yīng)力已超出了材料的屈服極限。

圖2 彎曲微動疲勞S-N曲線Fig.2 S-N curves of bending fretting fatigue

2.2 微動損傷區(qū)域分析

從3個微動運行區(qū)域中，各取1個特征彎曲疲勞應(yīng)力值，比較材料在運行相同循環(huán)次數(shù)后的接觸區(qū)損傷情況(圖3)?？芍牧辖佑|區(qū)損傷形貌均呈橢圓環(huán)狀，由于材料是左端固定，右端承受彎曲疲勞應(yīng)力作用，因此其右端相對位移較大，損傷區(qū)域較寬，使得損傷形貌呈明顯非對稱特征。

圖3 不同彎曲疲勞應(yīng)力下接觸區(qū)損傷形貌(a)F=8.00kN,σa,max=895.2MPa;(b)F=8.50kN,σa,max=951.2MPa;(c)F=9.00kN,σa,max=1007.2MPaFig.3 Damage morphologies of contact zone under different bending fatigue stress(a)F=8.00kN,σa,max=895.2MPa;(b)F=8.50kN,σa,max=951.2MPa;(c)F=9.00kN,σa,max=1007.2MPa

當(dāng)彎曲疲勞應(yīng)力較小時(F=8.00kN，σa,max=895.2MPa)，微動運行于部分滑移區(qū)。如圖3(a)所示，在部分滑移區(qū)，材料接觸區(qū)損傷輕微，呈非對稱橢圓環(huán)狀磨損形貌，可分為由接觸邊緣微滑引起的輕微磨損區(qū)和接觸中心幾乎無損傷的黏著區(qū)。在材料接觸區(qū)域的固定端一側(cè)，如圖4(a)所示，損傷帶較窄，且可觀察到輕微的塑性流動痕跡和少量的因材料片狀剝落而形成的凹坑存在，但沒有發(fā)現(xiàn)裂紋在此處萌生。除此之外，還可觀察到有許多磨屑顆粒堆積，這是因為此處的微動位移幅值較小，材料片狀剝落后形成的碎片難以及時排出，在接觸界面間經(jīng)兩接觸體反復(fù)碾壓，再加上氧化作用，變?yōu)轶w積更小的磨屑顆粒堆積于此。而在材料接觸區(qū)域的加載端一側(cè)，如圖4(b)所示，損傷帶比固定端一側(cè)要寬很多，可觀察到有明顯的犁溝和微觀切削痕跡存在，這屬于典型的磨粒磨損特征?？傊?，在部分滑移區(qū)，微動損傷較為輕微，未發(fā)現(xiàn)微觀裂紋存在，磨損機制主要以磨粒磨損和氧化磨損為主。

圖4 部分滑移區(qū)的微動損傷形貌(F=8.00kN,σa,max=895.2MPa,N=3×105cycles)(a)固定端；(b)加載端Fig.4 Fretting damage morphologies in the PSR(F=8.00kN,σa,max=895.2MPa,N=3×105cycles)(a)fixed end；(b)loading end

隨著彎曲疲勞應(yīng)力的增加(F=8.50kN，σa,max=951.2MPa)，微動由部分滑移區(qū)向混合區(qū)轉(zhuǎn)變。如圖3(b)所示，在混合區(qū)，材料接觸區(qū)的整體損傷程度較部分滑移區(qū)明顯加重。在材料接觸區(qū)域的固定端一側(cè)，如圖5(a)所示，塑性流動現(xiàn)象明顯著，已經(jīng)能夠觀察到連續(xù)的凹槽狀損傷。除此之外，有許多因材料片狀剝落而形成的凹坑存在，以及材料片狀剝落后形成的磨屑碎片氧化后堆積于損傷帶內(nèi)。將長方形區(qū)域形貌進(jìn)一步放大觀察，可發(fā)現(xiàn)有多條微觀裂紋萌生于此，如圖5(b)所示，如果實驗循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，此處微觀裂紋必將迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料斷裂失效。裂紋之所以會在此處萌生，主要是因為此時損傷帶內(nèi)接觸應(yīng)力較高而微動位移幅值較小，材料的變形能無法得到及時釋放而在材料接觸界面間造成了過高的塑性累積，引發(fā)塑性流動，演變形成裂紋源。反觀加載端一側(cè)的損傷帶，如圖5(c)所示，相比于部分滑移區(qū)，其損傷寬度有所增加，且磨粒磨損顯著加劇，觀察到的犁溝和微觀切削數(shù)目明顯增多?？傊?，在混合區(qū)，微動損傷急劇增加，有裂紋萌生，磨損機制主要以剝層和磨粒磨損為主。

圖5 混合區(qū)的微動損傷形貌(F=8.50kN,σa,max=951.2MPa,N=3×105cycles)(a)固定端；(b)圖5(a)長方形區(qū)域放大圖；(c)加載端Fig.5 Fretting damage morphologies in the MR(F=8.50kN,σa,max=951.2MPa,N=3×105cycles)(a)fixed end;(b)magnified image of rectangle in fig.5(a);(c)loading end

隨著彎曲疲勞應(yīng)力的進(jìn)一步增加(F=9.00kN，σa,max=1007.2MPa)，微動由混合區(qū)向滑移區(qū)轉(zhuǎn)變。如圖3(c)所示，在滑移區(qū)，材料接觸區(qū)的損傷形貌較之先前又有所不同。在材料接觸區(qū)域的固定端一側(cè)，如圖6(a)所示，可觀察到損傷帶寬度又有所增加，但卻未發(fā)現(xiàn)有裂紋萌生于此。這是因為，此時接觸界面間微動位移幅值較大，材料的變形能可以及時得到釋放，塑性累積減少，塑性流動和材料剝落現(xiàn)象隨之減弱，不利于裂紋萌生。而且，隨著磨損程度的加劇，材料的磨損速率超過了裂紋的萌生速率，致使裂紋還未來得及擴(kuò)展便已隨著材料的磨損而被去除，裂紋的萌生和擴(kuò)展受到抑制，無法形成具有破壞性的主裂紋。而在加載端一側(cè)的損傷帶內(nèi)，如圖6(b)所示，可發(fā)現(xiàn)其損傷寬度再次增加，且磨粒磨損程度顯著加劇，犁溝和微觀切削引起的損傷區(qū)域較之部分滑移區(qū)時增加了1倍有余。總之，在滑移區(qū)，材料磨損嚴(yán)重，但裂紋的萌生和擴(kuò)展受到抑制，磨損機制主要以剝層、磨粒磨損和氧化磨損為主。

圖6 滑移區(qū)的損傷形貌(F=9.00kN,σa,max=1007.2MPa,N=3×105cycles)(a)固定端；(b)加載端Fig.6 Fretting damage morphologies in the SR(F=9.00kN,σa,max=1007.2MPa,N=3×105cycles)(a)fixed end；(b)loading end

2.3 微動疲勞裂紋分析

18CrNiMo7-6合金鋼的彎曲微動疲勞實驗結(jié)果顯示，該材料的彎曲微動疲勞裂紋均萌生于接觸區(qū)域靠近固定端一側(cè)的損傷帶內(nèi)。圖7為混合區(qū)裂紋SEM像。可知，在材料接觸區(qū)域固定端一側(cè)的損傷帶內(nèi)，有兩條明顯的裂紋存在，而反觀加載端一側(cè)的損傷帶內(nèi)，雖然可見明顯的磨粒磨損現(xiàn)象，但卻并沒有發(fā)現(xiàn)裂紋存在(F=8.50kN，σa,max=951.2MPa)。

圖7 混合區(qū)裂紋SEM像(F=8.50kN,σa,max=951.2MPa)Fig.7 SEM images of crack in the MR(F=8.50kN,σa,max=951.2MPa)

究其原因，在材料接觸區(qū)域固定端一側(cè)的損傷帶內(nèi)，材料接觸界面間的法向接觸應(yīng)力較高而微動位移幅值較小，以致材料的變形能無法得到及時釋放，而造成了過高的塑性累積。當(dāng)塑性累積達(dá)到一定程度后，便會演變產(chǎn)生裂紋源，引起裂紋萌生并擴(kuò)展。而在材料接觸區(qū)域加載端一側(cè)的損傷帶內(nèi)，材料接觸界面間的微動位移幅值較大，磨屑能夠及時排出，材料的變形能可得到及時釋放，未造成過高的塑性累積，因此不易在此處形成裂紋源。而且，此處雖然磨粒磨損十分劇烈，但材料的磨損速率超過了裂紋的萌生速率，以至裂紋還未來得及擴(kuò)展便已隨材料的磨損而被去除，無法形成具有破壞性的主裂紋。

為了進(jìn)一步探究材料彎曲微動疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展機制，將裂紋試樣沿軸向從接觸區(qū)域中間剖開，在掃描電鏡等分析測試儀器下進(jìn)行全面的剖面分析(圖8)。如圖8(a)所示，材料經(jīng)過1×105次循環(huán)后，在其接觸區(qū)域固定端一側(cè)的損傷帶剖面中，僅能觀測到多條很短的表面微觀裂紋(長度在10μm以內(nèi))。而當(dāng)實驗循環(huán)次數(shù)增加到4×105次時，觀察到有長度超過100μm的初步具有破壞性的長裂紋存在，如圖8(b)所示?？梢钥闯觯藭r的裂紋已經(jīng)完成了早期擴(kuò)展階段，其早期擴(kuò)展方向與接觸表面間大約呈50°角。

圖8 彎曲微動疲勞裂紋剖面SEM像(F=8.50kN,σa,max=951.2MPa) (a)N=1×105cycles;(b)N=4×105cycles;(c)圖8(b)長方形區(qū)域放大圖Fig.8 SEM images of bending fretting fatigue crack cross-section(F=8.50kN,σa,max=951.2MPa) (a)N=1×105cycles;(b)N=4×105cycles;(c)magnified image of rectangle in fig.8(b)

圖9 裂紋萌生和擴(kuò)展路線圖(F=8.50kN,σa,max=951.2MPa)Fig.9 Image of crack initiation and propagation paths (F=8.50kN,σa,max=951.2MPa)

將該裂紋剖面的形貌特征在掃描電鏡下進(jìn)一步放大，如圖8(c)所示，可以觀察到，在主裂紋旁邊，還有一條尚未與材料接觸表面相貫通的次裂紋存在。由此可以判斷，圓圈所示的位置便是彎曲微動疲勞裂紋的萌生位置，其位于材料接觸區(qū)域內(nèi)距離表面約50μm深的次表面處。

彎曲微動疲勞裂紋完整的萌生和擴(kuò)展路線如圖9所示?？梢钥闯觯鸭y的萌生和擴(kuò)展大致可分為3個階段：(1)裂紋在材料接觸區(qū)域固定端一側(cè)損傷帶的次表面處萌生，并以與接觸表面間呈大約50°角的方向開始擴(kuò)展，直到與接觸表面相貫通，形成彎曲微動疲勞的主裂紋。在此階段內(nèi)，裂紋的萌生和擴(kuò)展主要受法向接觸應(yīng)力控制，外加彎曲疲勞應(yīng)力只起一定的輔助作用；(2)隨著裂紋擴(kuò)展深度的不斷增加，法向接觸應(yīng)力的影響作用逐漸減弱，而彎曲疲勞應(yīng)力的控制作用則逐漸加強。在裂紋擴(kuò)展深度超過法向接觸應(yīng)力的最大影響深度之前，存在著一段由法向接觸應(yīng)力和彎曲疲勞應(yīng)力共同控制裂紋擴(kuò)展的過渡時期。在此階段內(nèi)，裂紋的擴(kuò)展速率和擴(kuò)展方向由法向接觸應(yīng)力和彎曲疲勞應(yīng)力共同控制，裂紋擴(kuò)展角度在逐漸增大，逐漸轉(zhuǎn)為向垂直于接觸表面的方向擴(kuò)展；(3)此階段內(nèi)，裂紋擴(kuò)展深度已經(jīng)超出了法向接觸應(yīng)力的最大影響深度，因此裂紋擴(kuò)展完全受彎曲疲勞應(yīng)力的控制，裂紋擴(kuò)展方向垂直于接觸表面，材料將很快斷裂失效。

2.4 微動疲勞斷口分析

圖10為疲勞斷口裂紋源區(qū)SEM像。對斷裂失效后的彎曲微動疲勞試樣進(jìn)行斷口分析發(fā)現(xiàn)，其疲勞斷口整體形貌均呈現(xiàn)放射狀，如圖10(a)所示。裂紋的萌生位置位于接觸區(qū)域固定端一側(cè)的次表面處，即放射狀紋路所指向的區(qū)域，距離表面約50～100μm深，如圖10(c)中圓圈所示位置，該結(jié)果正好可與裂紋剖面分析中所得到的結(jié)論相互印證。當(dāng)裂紋在接觸區(qū)域的次表面處萌生后，兩斷面之間由于承受加載應(yīng)力比R=0.1的彎曲疲勞應(yīng)力作用，而在裂紋擴(kuò)展過程中發(fā)生相互摩擦，在斷面間產(chǎn)生少量磨屑以及擦傷痕跡，如圖10(b)所示。除此之外，從圖10(d)中還可以看到，在裂紋源區(qū)附近，有垂直于斷面向內(nèi)擴(kuò)展的二次裂紋存在。

圖11為疲勞斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)SEM像。隨著裂紋擴(kuò)展深度的不斷增加，彎曲疲勞應(yīng)力對裂紋擴(kuò)展的影響越來越明顯，裂紋逐漸轉(zhuǎn)向垂直于接觸表面的方向擴(kuò)展。如圖11(a)所示， 在裂紋擴(kuò)展區(qū)內(nèi)，有許多因裂紋反復(fù)開合而形成的疲勞條紋存在，將該處形貌進(jìn)一步放大觀察，還可發(fā)現(xiàn)有許多二次裂紋及典型穿晶特征存在，如圖11(b)所示。

圖10 疲勞斷口裂紋源區(qū)SEM像(a)疲勞斷口整體形貌;(b)磨屑及擦傷痕跡;(c)裂紋萌生位置;(d)二次裂紋Fig.10 SEM images of fatigue fracture crack source region(a)entirety morphology of fatigue fracture;(b)wear debris and bruise;(c)crack initiation location;(d)secondary crack

3 結(jié)論

(1)建立了18CrNiMo7-6合金鋼彎曲微動疲勞S-N曲線，曲線呈“ε”型曲線特征。

(2)彎曲微動疲勞接觸區(qū)的磨損機制以剝層、磨粒磨損和氧化磨損為主，隨著彎曲疲勞應(yīng)力的增加，微動運行區(qū)域由部分滑移區(qū)向混合區(qū)和滑移區(qū)轉(zhuǎn)變。在混合區(qū)，裂紋最易萌生和擴(kuò)展，材料的疲勞壽命最低。

(3)彎曲微動疲勞裂紋均萌生于材料接觸區(qū)域固定端一側(cè)的次表面處，裂紋的萌生和擴(kuò)展可分為3個階段：首先，在接觸應(yīng)力控制下，裂紋萌生于次表面；然后，受接觸應(yīng)力和彎曲疲勞應(yīng)力共同控制，裂紋轉(zhuǎn)向更大角度方向擴(kuò)展；最后，裂紋完全受彎曲疲勞應(yīng)力控制而垂直于接觸表面擴(kuò)展，直至斷裂失效。

[1] 周仲榮，朱旻昊. 復(fù)合微動磨損[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社,2004.

[2] 周仲榮.關(guān)于微動磨損與微動疲勞的研究[J].中國機械工程,2000,(10):1146-1150.

ZHOU Z R.On fretting wear and fretting fatigue[J].China Mechanical Engineering,2000,(10):1146-1150.

[3] 周仲榮，羅唯力，劉家浚.微動摩擦學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].摩擦學(xué)學(xué)報,1997,17(3):272-280.

ZHOU Z R,LUO W L,LIU J J.Recent development in fretting research[J].Tribology,1997,17(3):272-280.

[4] 沈明學(xué)，彭金方，朱旻昊.微動疲勞研究進(jìn)展[J].材料工程,2010,(12):86-91.

SHEN M X,PENG J F,ZHU M H.Study and development of fretting fatigue[J].Journal of Materials Engineering,2010,(12):86-91.

[5] WINKLER J,GEORGAKIS C T,FISCHER G.Fretting fatigue behavior of high-strength steel monostrands under bending load[J].International Journal of Fatigue,2015,70:13-23.

[6] ALFREDSSON B.Fretting fatigue of a shrink-fit pin subjected to rotating bending: experiments and simulations[J].International Journal of Fatigue,2009,31(10):1559-1570.

[7] JUUMA T.Torsional fretting fatigue strength of a shrink-fitted shaft with a grooved hub[J].Tribology International,2000,33(8):537-543.

[8] 付昆，張凱，凌惠群.18CrNMo7-6鋼輸出齒輪軸裂紋分析[J].金屬熱處理，2011,36(增1):331-333.

FU K,ZHANG K,LING H Q.Crack analysis of output gear shaft of 18CrNiMo7-6 steel[J].Heat Treatment of Metals,2011,36(Suppl 1):331-333.

[9] PENG J F,SONG C,ZHU M H.An experimental study on bending fretting fatigue characteristics of 316L austenitic stainless steel[J].Tribology International,2011,44(11):1417-1426.

[10] PENG J F,LIU J H,ZHU M H,et al.Study on bending fretting fatigue damages of 7075 aluminum alloy[J].Tribology International,2013,59:38-46.

[11] PENG J F,ZHU M H,CAI Z B,et al.On the damage mechanisms of bending fretting fatigue[J].Tribology International,2014,76:133-141.

[12] 劉大偉，彭金方，田來.30CrNiMo8合金鋼的彎曲微動疲勞特性[J].機械工程材料,2014,(8):48-52.

LIU D W,PENG J F,TIAN L.Study on bending fretting fatigue characteristics of 30CrNiMo8 alloy steel[J].Materials for Mechanical Engineering,2014,(8):48-52.

[13] 田來，陳昊，彭金方.40CrNi2MoA合金鋼的彎曲微動疲勞特性[J].潤滑與密封,2014,(6):14-18.

TIAN L,CHEN H,PENG J F.Study on bending fretting fatigue characteristics of 40CrNi2MoA alloy steel[J].Lubrication Engineering,2014,(6):14-18.

[14] HYUKJAE L,SHANKAR M.Investigation into effects and interaction of various fretting fatigue variables under slip-controlled mode[J].Tribology International,2006,39(10):1213-1219.

(本文責(zé)編：王 晶)

Bending Fretting Fatigue Characteristics of 18CrNiMo7-6 Alloy Steel

SHEN Yan-tuan1,PENG Jin-fang1,XU Zhi-biao2, LIU Jian-hua1,CAI Zhen-bing2,ZHU Min-hao1,2

(1 State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2 Key Laboratory of Advanced Technologies of Materials(Ministry of Education),Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

A series of bending fretting fatigue tests of 18CrNiMo7-6 alloy steel were carried out, the bending fretting fatigueS-Ncurve was built up, and an analysis was made on the test results. The results show that, theS-Ncurve of 18CrNiMo7-6 alloy steel presents a shape of “ε” curve, which is different from the medium carbon steel, and also different from the plain bending fatigue. With the increase of the bending fatigue stress, the fretting regime transforms from partial slip regime to mixed regime and slip regime. The wear mechanisms of fretting damage zones mainly are delaminated, abrasive wear and oxidative wear. In the mixed regime, the cracks are easy to initiate and propagate, and the cracks all originate from the subsurface of contact zone. Due to the different influence levels of the contact stress and bending fatigue stress, the initiation and propagation of the bending fretting fatigue cracks can be divided into three stages. Firstly, the cracks initiate from subsurface under the control of contact stress; then propagate to a larger angle direction under the joint control of contact stress and bending fatigue stress; lastly the cracks propagate vertically to contact surface until fracture failure under the control of bending fatigue stress.

bending fretting fatigue;fretting damage;fatigue life;crack propagation

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000488

TH117.1

A

1001-4381(2017)07-0103-08

國家杰出青年科學(xué)基金資助項目(51025519)；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊資助項目(IRT1178)；國家自然科學(xué)青年基金資助項目(51305364)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2682014BR031)

2015-04-23;

2016-09-23

朱旻昊(1968-)，男，教授，博導(dǎo)，從事專業(yè)：摩擦學(xué)、表面工程，聯(lián)系地址：四川省成都市二環(huán)路北一段111號西南交通大學(xué)(610031)，E-mail:zhuminhao@swjtu.cn