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高強度鋼以其優(yōu)良的力學性能，而廣泛應用在基礎設施建設、軍事裝備制造、汽車制造、飛機制造和核電工程等諸多領域。30CrMnSiA高強度鋼在調(diào)質(zhì)后具有較高的強度和韌性，此外還具有良好的加工性能和抗疲勞性能，因此被廣泛用于制造軸類和活塞類零配件以及汽車和飛機等各種特殊的耐磨零配件。金屬材料機械零部件在日常使用中多數(shù)承受的載荷都是隨時間變化而變化的。材料在交變載荷作用下容易形成微裂紋，載荷持續(xù)作用會促使裂紋擴展，最終導致零部件斷裂，這種形式引起的破損或斷裂叫做疲勞破壞或疲勞斷裂。疲勞斷裂是影響金屬材料使用安全的一個重要因素。30CrMnSiA鋼的斷裂失效中有80%是疲勞斷裂，一般對于發(fā)生疲勞斷裂的30CrMnSiA鋼零部件都直接進行更換，造成了極大的浪費，如能對其進行再制造修復，則在降低成本、節(jié)約資源等方面都具有重要意義。

為了解不同深度缺陷修復后對30CrMnSiA鋼扭轉彎曲疲勞性能的影響，來自上海大學和上海海關工業(yè)品與原材料檢測技術中心的朱兆祺、劉倩等研究人員對預置缺陷深度分別為0.15mm 和0.55mm 的試樣進行了激光堆焊修復，并對修復件進行疲勞性能測試和顯微組織形貌分析，以期為此類零部件再制造修復的基礎研究提供一些幫助。

1、 試樣制備

試驗采用30CrMnSiA高強度鋼，其熱處理工藝是在880℃油淬后520℃高溫回火，回火后水冷，得到的顯微組織為回火索氏體，具有較高的強度和沖擊韌度，以及較好的焊接性和冷沖壓變形性。

圖1 無缺陷疲勞試樣形狀與尺寸示意圖

取3個尺寸為?7.5mm×170mm的旋轉彎曲無缺陷疲勞試樣，如圖1所示。其中一個試樣在中心兩邊開深度為0.15mm，寬度為3mm的U型環(huán)槽，如圖2所示；另一個在中心兩邊開深度為0.55mm，寬度為3mm的U型環(huán)槽，其余尺寸與圖2所示試樣的相同。

圖2 缺陷深度為0.15 mm 的疲勞試樣示意圖

采用手工激光焊接機對兩個帶有缺陷的試樣分別進行激光修復，激光堆焊設備如圖3所示。

圖3 激光堆焊設備

2 、疲勞試驗

按照GB/T4337—2015《金屬材料疲勞試驗旋轉彎曲方法》的技術要求，轉速為3000r·min-1，在不同的應力水平和加載力下，對無缺陷疲勞試樣和帶有兩種不同深度缺陷的再制造疲勞試樣分別進行疲勞試驗，結果如表1~3所示。可見無缺陷試樣和缺陷深度為0.15mm的試樣在應力水平S=440MPa時的平均循環(huán)次數(shù)均超過106次，而缺陷深度為0.55mm試樣的平均循環(huán)次數(shù)明顯降低，只有171120次；在應力水平S=550MPa時，無缺陷試樣的平均循環(huán)次數(shù)為324225次，缺陷深度為0.15mm試樣的平均循環(huán)次數(shù)為106575，而缺陷深度為0.55mm試樣的平均循環(huán)次數(shù)只有34312次?？芍S著應力水平的增加，試樣缺陷深度越大，其平均循環(huán)次數(shù)較無缺陷疲勞試樣的下降幅度越大。

表1 無缺陷試樣疲勞試驗結果

表2 缺陷深度為0.15mm試樣的疲勞試驗結果

表3 缺陷深度為0.55mm試樣的疲勞試驗結果

3、 斷口分析

對550MPa應力水平下的無缺陷試樣和帶有兩種不同深度缺陷的再制造試樣的斷口進行掃描電鏡(SEM)分析。如圖4~6所示，再制造試樣的二次裂紋較多，而且隨著缺陷深度增大，二次裂紋更長；再制造試樣的韌窩數(shù)量少，隨著缺陷加深，韌窩數(shù)量減少且越來越細小。

圖4 550MPa應力水平下試樣裂紋源區(qū)SEM形貌

圖5 550MPa應力水平下試樣的裂紋擴展區(qū)SEM形貌

圖6 550MPa應力水平下試樣最終斷裂區(qū)SEM形貌

4 、結論

(1) 在低應力條件下，預置缺陷深度為0.15mm的激光再制造試樣，其旋轉彎曲疲勞性能接近無缺陷試樣的。

(2) 預置缺陷深度為0.55mm的激光再制造試樣，其旋轉彎曲疲勞性能較無缺陷試樣的顯著降低，對有該深度缺陷的試樣，將不能進行再制造修復。

(3) 再制造試樣隨著應力水平的增加，疲勞裂紋也越來越多，更易發(fā)生斷裂。

作者：朱兆祺1，劉倩2，邱偉科2，汪宏斌1，吳益文1,2

單位：1.上海大學 材料科學與工程學院；2.上海海關工業(yè)品與原材料檢測 技術中心