軸承鋼主要用于制作支承齒輪、連桿等軸類傳動(dòng)件,在飛行器、汽車、航空設(shè)備等工程領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。軸類傳動(dòng)件的作用是傳遞扭矩或彎矩,軸承鋼在軸類零件中受到重復(fù)的載荷作用[1]。將循環(huán)周次超過(guò)107次的疲勞行為稱為超長(zhǎng)壽命疲勞,也稱高周疲勞[2]。軸承在實(shí)際應(yīng)用中主要受到接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力,接觸疲勞失效的主要形式是剝落,旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞失效的形式主要是疲勞開(kāi)裂和斷裂。筆者對(duì)高碳鉻軸承鋼在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下承受彎曲力矩時(shí)的疲勞性能進(jìn)行研究,以期為提高軸承鋼的疲勞性能提供理論支撐。 

1.   試驗(yàn)材料及方法

試樣材料為SUJ2S1高碳鉻軸承鋼,其主要化學(xué)成分如表1所示。 

采用簡(jiǎn)支梁旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī),按照GB/T 4337—2015《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 旋轉(zhuǎn)彎曲方法》的要求對(duì)圓棒試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn),試樣加工尺寸如圖1所示。在加工試樣時(shí),要確保試樣不出現(xiàn)任何圓周方向上的劃痕,試樣表面粗糙度小于0.2 μm。試驗(yàn)采用多點(diǎn)加力模式,試驗(yàn)溫度為室溫,轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,判定標(biāo)準(zhǔn)為試樣斷裂或試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)達(dá)到107次。采用升降法和成組法得出高碳鉻軸承鋼疲勞極限和S（疲勞強(qiáng)度）-N（疲勞壽命）曲線。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行斷口形貌觀察,采用能譜儀對(duì)疲勞斷口的夾雜物進(jìn)行分析。 

圖  1  疲勞試樣尺寸示意

2.   試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1   升降法測(cè)試疲勞極限

采用升降法測(cè)試材料的疲勞極限。根據(jù)鋼種的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度來(lái)確定初始應(yīng)力強(qiáng)度,將初始應(yīng)力強(qiáng)度作為第1根試樣的加載應(yīng)力,若第1根試樣通過(guò)設(shè)定的循環(huán)次數(shù)（107次）以20 MPa作為應(yīng)力臺(tái)階,提高第2根試樣的加載應(yīng)力,若第2根試樣在107循環(huán)次數(shù)前斷裂,則降低第3根試樣加載應(yīng)力,并繼續(xù)試驗(yàn)。疲勞極限σ如式（1）所示。 

式中：a為有效試樣總個(gè)數(shù)；ai為第 i 個(gè)試樣所處的應(yīng)力,i=1,2,3,…,a。 

根據(jù)式（1）可以得出室溫下SUJ2S1高碳鉻軸承鋼的疲勞極限為484 MPa,標(biāo)準(zhǔn)差為16.81 MPa。 

根據(jù)疲勞極限計(jì)算結(jié)果,繪制SUJ2S1高碳鉻軸承鋼疲勞試驗(yàn)升降圖,結(jié)果如圖2所示,其中“×”表示試樣斷裂,“○”表示通過(guò)。由圖2可知：當(dāng)設(shè)定應(yīng)力為460 MPa時(shí),試樣循環(huán)次數(shù)為107次,即試樣均為通過(guò)狀態(tài)；當(dāng)設(shè)定應(yīng)力為520 MPa時(shí),試樣均發(fā)生斷裂。 

圖  2  SUJ2S1高碳鉻軸承鋼疲勞試驗(yàn)升降圖

2.2   試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞S-N曲線

S-N曲線是以材料標(biāo)準(zhǔn)試樣疲勞強(qiáng)度為縱坐標(biāo),疲勞壽命為橫坐標(biāo),表示一定循環(huán)特征下標(biāo)準(zhǔn)試樣的疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命之間關(guān)系的曲線,也稱應(yīng)力-壽命曲線。根據(jù)軸承鋼在載荷條件下的應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)曲線和S-N曲線,可以計(jì)算出軸承鋼的安全系數(shù)、損傷率和疲勞壽命。根據(jù)軸承鋼應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)曲線相對(duì)S-N曲線的位置,可以直觀判斷軸承材料選取的好壞以及疲勞壽命是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖3a）為SUJ2S1高碳鉻軸承鋼的S-N曲線,存活率（P）為90%的P-S-N曲線如圖3b）所示,補(bǔ)充了軸承鋼疲勞數(shù)據(jù)不足的問(wèn)題,為汽車廠疲勞仿真分析提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),預(yù)測(cè)零部件的設(shè)計(jì)壽命。 

圖  3  SUJ2S1高碳鉻軸承鋼的S-N曲線及P-S-N曲線

2.3   試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口分析

用掃描電鏡對(duì)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口進(jìn)行觀察,分析疲勞斷裂的原因。大量研究表明[3],疲勞裂紋的起源主要來(lái)自于內(nèi)部的非金屬夾雜物和表面缺陷。 

SUJ2S1鋼斷口的SEM形貌如圖4所示。由圖4可知：高碳鉻軸承鋼疲勞裂紋有兩種裂紋源,一種起裂于試樣表面,主要是在機(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)生的,裂紋源起始于試樣表面的磨損和車削劃痕；另一種裂紋源起裂于試樣表面的非金屬夾雜物,夾雜物破壞了試驗(yàn)鋼的均勻性,產(chǎn)生了應(yīng)力集中,在應(yīng)力集中處產(chǎn)生疲勞源,最終導(dǎo)致高碳鉻軸承鋼發(fā)生疲勞斷裂；裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌呈典型的河流、臺(tái)階狀,為解理斷裂特征形貌,存在撕裂紋形貌；瞬斷區(qū)可見(jiàn)韌窩,為韌性斷裂特征形貌。 

圖  4  SUJ2S1鋼的疲勞斷口SEM形貌

對(duì)試驗(yàn)鋼中的非金屬夾雜物進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：夾雜物主要為Al2O3。 

圖  5  非金屬夾雜物能譜分析結(jié)果

3.   結(jié)論

（1）試驗(yàn)鋼疲勞斷裂的原因?yàn)樵嚇颖砻娲嬖跈C(jī)械加工缺陷和Al2O3夾雜物。 

（2）繪制了高碳鉻軸承鋼的升降圖和S-N曲線,得出材料的疲勞極限為458 MPa,綜合性能優(yōu)異。繪制了高碳鉻軸承鋼的P-S-N曲線,得到了材料90％存活率時(shí)的疲勞極限為300 MPa,補(bǔ)充了軸承鋼疲勞數(shù)據(jù)不足的問(wèn)題,為汽車廠軸承疲勞仿真分析提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 

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