高强度钢超高周疲劳特性试验研究大连海事大学　李治彬　姜　华黑龙江船检局　邵长青 摘要　该文介绍了以20kH z 超声波振动疲劳试验机对三组55SC7高强度钢试材作超高周疲劳特性试验研究。

试验结果表明:在高周区及超高周区S 2N 曲线呈下降趋势,与传统假设完全不一;疲劳强度并不随其硬度(H v )及弹性极限(σb )的提高而提高;疲劳裂纹萌生于试件内部,主要由硫化物和钙化物等杂质所致。

关键词　材料性能　高强度钢　超声波振动　试验研究作者简介:李治彬,男,1950年生,教授,巴黎C NAM 博士研究生。

1　前　言在航空、航天、汽车及造船等工程领域内,以往人们主要考虑和研究材料低周疲劳强度(小于106周),而对于高周(大于106周)疲劳强度的确定,一般只采取某处假设与近似方法。

传统的假设认为高周疲劳强度是不变的,即认为材料的应力与寿命曲线(S —N 曲线)在高周区呈水平线,大于106周的疲劳强度与106周的疲劳强度是一样,试件在高周寿命区不会出现破坏。

这主要是因为一般的疲劳试验机,要进行高周疲劳试验研究是根本不可能的。

一个30H z 的疲劳试验机,要完成一个试件的1010周的疲劳试验需11年;要进行一组几十个试件的试验需几百年时间。

然而,本文介绍了采用20kH z 的超声波振动疲劳试验机后,一个试件的疲劳寿命试验,106周不到一分钟,109周需15小时,达到1010周只需6天时间。

而从试验结果的S 2N 曲线看,曲线在106周并没有明显变化,直到1010周后曲线并没有变成水平渐近线,而是呈下降趋势,试件依然折断。

这说明与传统的假说完全不同。

2　疲劳试验2.1　试验设备图1为20kH z 超声波振动疲劳试验机。

该试验机的原理主要是由压电发生器产生20kH z 的振动,并为转换器提供一个正弦波的振动源,转换器将电波转换成机械振动,再由一个放大器将机械振动位移放大,试件被连接在放大器上并与放大器一起产生一个20kH z 的共振。

经计算,可算出位移与应力之间的关系,并可以通过计算机算出给定位移的相应应力值,从而可得到每个试件的疲劳周数与应力值的关系曲线(S 2N 曲线)。

图1　试验系统2.2　试件尺寸与形状试件尺寸与形状如图2所示。

图2　试件几何形状及尺寸试件必须设计成:其自振频率为20kH z ,试件中心区域为0≤x ≤L 2,试件尺寸(mm )R 0=31、R 1=1.25、R 2=3.25、L 2=10.95、L =41.2,弹性模量E d =2001年 船 舶 工 程 第2期2.1×1011Pa 及密度ρ=7850kg/m 3。

应力与位移关系式为[2]:σmax (x )=25.068U 0(1)2.3　材料试材为法国产用作汽车弹簧的高强度55S C7钢,其机械性能及化学成份如表1、表2所列。

表1　机械性能试件组别H V σb (MPa )A 5001800B 5901800C6022002表2　化学成份w (b)%组别CSiS P AlCr TiNiMn A ,B 0.5～0.58 1.2～1.60.04max 0.035max 0.6～0.80.6～0.8C0.56 1.530.140.120.030.690.160.012.4　试验条件采用20kH z 超声波振动疲劳试验机,应力对称系数R =-1;在空气室温,大约20℃下进行;试件用高压空气冷却,约为70℃,试件用500#、1200#、2400#、4000#砂纸一步步作抛光处理,载荷为拉(压)力。

3　结果与讨论3.1　温度影响由于采用20kH z 超声波疲劳试验机作疲劳试验,试件很容易发热,尤其是在高应力作用下时,如果不采取冷却手段,试件会瞬间折断,否则也会影响试验结果。

要避免高温影响,须注意两方面问题:一是试件形状和尺寸,因为试件的位移越大越容易发热。

试件设计得较好,即使较大的载荷,也仅有较小的位移,试件就不容易发热;二是一旦发热,应用冷水或高压气冷却。

图3是A 组中的一个试件载荷由300MPa 加到520MPa 过程中所得到应力与温度变化曲线。

可以看出,试件的温度随载荷的增加而增加。

载荷较小时,温度随载荷而缓慢增加;载荷较大时,温度随载荷而急剧增加,试件会很快折断。

因此,载荷较大时,必须注意试件的温度。

图3　试件的温度变化曲线3.2　三组高强度钢55SC7的S 2N 曲线三组试件试验结果得出的应力—寿命(S 2N )曲线如图4所示。

图4　三组高强度钢55SC7的S 2N 曲线从图4的S 2N 曲线可以看出:高周区(大于106周次),三条曲线并没有呈水平渐近线,而是继续下降。

这表明,以106周处的疲劳强度作为高周区的疲劳强度,其误差太大,不合理。

从图4的S 2N 曲线可看出硬度H v 及弹性极限(σb )对疲劳强度的影响:在低周区,硬度(H v )及弹性极限(σb )值越大,其疲劳强度越高;在高周区,曲线A 与曲线C 比较,硬度(H v )及弹性极限(σb )值越大,其疲劳强度越高;曲线B 与曲线C 比较,硬度(H v )及弹性极限(σb )值越大,其疲劳强度越低。

这一结果显示,在高周区,疲劳强度不一定遵照疲劳强度随参数硬度(H v )及弹性极限(σb )提高而提高。

3.3　微观分析及化学分析借助扫描电子显微镜,微观分析试件断面时发现:在低周区,构件表面有疲劳裂纹萌生(如图5所示),其主要是试件表面缺陷(杂质、空洞)所致;在高周区,所有试件内部有疲劳裂纹萌生(如图6所示),其主要是试件内部杂质所致,图7便是其中一个试件疲劳裂纹中心处化学分析的波谱,表明有一硫化物和钙化物的杂质;在105～107周区,有的试件疲劳裂纹在表面,有的试件疲劳裂纹在内部,把这一区间称为过渡区。

4　结　论用超声波疲劳试验机对高强度钢55SC7作疲劳试验所得S 2N 疲劳曲线可看出:试件在高周疲劳区,S 2N 曲线继续呈下降趋势,・36・图　5图　6图　7其疲劳强度随寿命增加而下降。

将该阶段的疲劳强度定为106时的疲劳强度相同值是不合理的,其误差是不能忽略的,偏于危险的。

在高应力作用下,试件很容易发热,试件会瞬间折断,否则也会影响试验结果。

应用冷水或高压气冷却。

试验结果显示,在高周疲劳区,疲劳强度不一定随硬度(H V)及弹性极限(σb)提高而提高。

低周区疲劳破坏是由试件外部缺陷所致;在高周区,疲劳破坏则由试件内部夹杂硫化物和钙化物等杂质或空洞引起。

5　参考文献1　C Bathiac,J P fatique des materiaux et des struc2 tures.Edition HERMES,1997.2　Q Y Wang.G igacycle fatique of ferrous alloys.Ph.D.thesis, Ecole Centrale,1998.・46・Multiprocessor 2based dynamic positioning control system for vessels Wang Hongjian Shi Xiaocheng and Others (48)… A design method of dynam ic positioning system (DPS )for vessels is introduced.A distributed multiprocessor architecture for DPS is studied.From the point of software realization.A hierarchical structure design method is proposed.The scheme developed based on multiprocessor is of reasonableness ,high parallel ,real time and high reliability.It can effectively fulfil tasks such as real time in formation acquisition data processing ,control calculation ,thrust distribution and energy management ,etc.for the com plex DPS of vessels.And it is of great value for practical application.K ey w ord Vessel Dynam ic positioning C ontrol system Multiprocessor Strategy of safety guard system against m anual misoperation and its realization Ye Yinzhong (52)…………………… In this paper ,a strategy of safety guard system against manual m isoperations in the advanced automatic engineering systems is proposed.As the key point of such a system is to automatically identify the operation m ode and the process status ,the fuzzy log 2ic method based on a lot of knowledge 2type and experiential rules is suggested for its realization.The simulation experiments in the marine engine room simulator prove its feasibility and efficiency.K ey w ords Safety guard M isoperation Fuzzy logic Operation m ode Process status Comparison betw een lift feedback control and fin angle feedback control of fin 2stabilizerYu Ping Liu Sheng and Others (56)……………………………………………………………………………………………………………… In com parison with fin angle feedback control system ,the primciple and com position of lift feedback control system of fin 2stabilizer is analyzed.Over the former ,the advantages of the latter are as follows :av oidance of the uncertainty between lift and fin angle ,no need for the trans formation coefficient from wave angle to fin angle ,without use of ship speed m odulation ,and with dif 2ferent wave scale m odulation function.K ey w ords Fin stabilizer Fin angle feedback Escalation force feedbackA Study on optim al design and dynamic behavior of shipboard electronic cabinetWang Hongf ang Xu Xiao and Others (59)………………………………………………………………………………………………………………… M ost m odern electronic systems are com posed of tw o major mechanical com ponents an equipment chassis and a plug 2in printed circuit board (PC B )assembly.In this paper ,the dynam ic behavior of these tw o com ponents is studied and an optimal de 2sign of the chassis is made by means of FE A software on the basis of four major design norms presented for the design of chassis dynam ic behavior.Finally ,experiments verify that it is sound to realize optimal design by means of FE A method and to carry out structure design combining FE A with experiments.K ey Words Shipboard electronic cabinet Dynam ic behavior Optimal design Finite element analysis (FE A )T est research of ultrahigh 2cycle fatigue behavior of high strength steel Li Zhibin Shao Changqing and Others (62)…… A test study has been made of ultrahigh 2cycle fatigue of high strength steel by means of an ultrasonic frequency of 20kH z with 3groups of steel (55sc7).The test result shows that fatigue rupture can occur and the fatigue endurance (S 2N )continues to reduce with increase of cycles between 106and 1010C.P.S ,the fatigue strength does not increase with increase of vickers hard 2ness and elastic lim it ,fatigue cracks occur in the interior of testpieces and are caused by inclusions of sulphur and calcium.This result is much different from conventional hypothesis.K ey w ords M aterial behavior H igh strength steel Ultrahigh 2cycle fatigue Ultrasonic vibration Edited and Published :　Editorial office of SHIP E NGINEERING,CS NAME (Add :10Hengshan R oad ,Shanghai 200031,CHINA T el :8622126471811825402　F ax :86221264339552) Chief Editor :Feng Y ongxiang Deputy Editor :T ong X iaochuan Wu xianhu International D omestic S tandard Journal C ode ,N o.　ISS N 100026982C N3121281/U Ad Business License N o.　3101014000209 I nternational Subscription :　China International Book T rade C orp.(Distribution C ode N o.BM146)(P.O.Box 399,Beijing 100044,CHINA )　2th issue 2001(Serial 131)Established in 1979Publishing April 2001。