無(wú)碳化物貝氏體高碳鋼滾動(dòng)接觸疲勞失效分析

仇立寧, 李淑欣, 蔣港輝, 余 豐, 魯思淵

無(wú)碳化物貝氏體高碳鋼滾動(dòng)接觸疲勞失效分析

仇立寧, 李淑欣*, 蔣港輝, 余 豐, 魯思淵

（寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院, 浙江 寧波 315211）

對(duì)無(wú)碳化物貝氏體高碳鋼開展?jié)L動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn), 利用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、X射線衍射儀(XRD)、三維輪廓儀、顯微硬度計(jì)和納米壓痕等分析方法, 對(duì)比分析低應(yīng)力和高應(yīng)力水平下的失效行為, 研究其失效機(jī)制. 結(jié)果表明, 無(wú)碳化物貝氏體高碳鋼在1.8GPa低接觸應(yīng)力下有更優(yōu)異的滾動(dòng)接觸疲勞性能, 其失效形式為表面剝落; 在2.6GPa高接觸應(yīng)力水平下, 表面出現(xiàn)嚴(yán)重的塑性變形, 表面粗糙度增加導(dǎo)致最大剪切應(yīng)力增加, 位置逐漸靠近表面. 在2.6GPa接觸應(yīng)力下塑性變形層形成梯度結(jié)構(gòu), 但是在1.8GPa接觸應(yīng)力下并未發(fā)現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu), 在塑性變形層發(fā)現(xiàn)大量的孔洞.

無(wú)碳化物貝氏體高碳鋼; 應(yīng)力; 表面剝落; 梯度結(jié)構(gòu); 孔洞

滾動(dòng)接觸疲勞(RCF)是輪軌、軸承等零件最主要的失效方式, 它會(huì)使鋼的組織發(fā)生變化, 降低其力學(xué)性能, 甚至在接觸表面發(fā)生點(diǎn)蝕和剝落, 導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定. 人們對(duì)影響滾動(dòng)接觸疲勞性能的因素進(jìn)行了廣泛研究, 比如接觸應(yīng)力[1-2]、滑差率[1,3]、潤(rùn)滑條件[4]等, 也有一些研究人員將重心放在改善組織上[5-6]. 近年來(lái), 貝氏體鋼由于其優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性而備受關(guān)注. Granham等[7]認(rèn)為滾動(dòng)接觸疲勞是車輪表面在循環(huán)載荷作用下發(fā)生塑性變形所致, 當(dāng)變形程度超過韌性極限時(shí), 在高應(yīng)變表面萌生疲勞裂紋. 竇鵬等[8]提出中碳貝氏體支承輥在表面萌生裂紋, 進(jìn)而導(dǎo)致表面損傷, 形成深層剝落. Solano-Alvarez等[9]認(rèn)為無(wú)碳化物貝氏體鋼的損傷機(jī)理不同于傳統(tǒng)的軸承鋼, 孔洞的形成與連接是損傷演化的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制. Zheng等[10]報(bào)道了無(wú)碳化物貝氏體中碳鋼在1.7GPa的接觸應(yīng)力下疲勞裂紋源一般產(chǎn)生在試樣的接觸表面, 其滾動(dòng)接觸疲勞失效形式為點(diǎn)蝕和剝落. 綜上所述, 大多數(shù)研究都集中在貝氏體中低碳鋼的失效機(jī)制上, 而較少對(duì)貝氏體高碳鋼的失效機(jī)制進(jìn)行深入研究. 因此, 有必要對(duì)貝氏體高碳鋼進(jìn)行深入探討, 研究其失效本質(zhì).

以無(wú)碳化物貝氏體高碳鋼為對(duì)象, 通過滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)對(duì)比分析了不同接觸應(yīng)力條件下的疲勞失效機(jī)理. 從剝落形貌、裂紋的萌生及擴(kuò)展和硬化層變化等方面表征了滾動(dòng)接觸疲勞的失效機(jī)制, 以期為無(wú)碳化物貝氏體高碳鋼的損傷程度評(píng)價(jià)提供理論參考.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用貝氏體鋼經(jīng)冶煉與電渣重熔后鍛成Φ70mm的棒材, 其化學(xué)成分見表1. 熱處理工藝如下: 加熱至930℃, 保溫30min, 采用爐冷至250℃(大約需要6min), 然后200℃等溫處理10d, 最后空冷到室溫, 得到無(wú)碳化物貝氏體組織, 其硬度為670HV, 彈性模量為206GPa, 泊松比為0.3. 根據(jù)GB/T 10622-89制備出軸承試樣, 軸承試樣分為上、下試樣, 上、下試樣的最大直徑都為60mm, 其中上試樣的接觸寬度是5mm, 兩試樣接觸表面的平均粗糙度a為0.8μm.

表1 試驗(yàn)用鋼化學(xué)成分 %

滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)在MJP-30型滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行, 試驗(yàn)條件為常溫、油潤(rùn)滑, 每個(gè)試樣都由獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng), 以設(shè)置不同的滑差率, 原理模型如圖1所示. 兩種試驗(yàn)的接觸應(yīng)力分別為2.6 GPa和1.8GPa, 其中上試樣轉(zhuǎn)速設(shè)定為850r·min-1, 下試樣轉(zhuǎn)速設(shè)定為1000r·min-1. 使用振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)試驗(yàn)機(jī)狀況, 當(dāng)振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)的振動(dòng)值大于設(shè)定的振動(dòng)數(shù)值時(shí), 試驗(yàn)機(jī)將自動(dòng)停止.

圖1 滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)原理模型

滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)結(jié)束后, 將樣品從試驗(yàn)機(jī)上卸載下來(lái), 使用電火花線切割機(jī)沿著周向和軸向切割疲勞試樣, 切割后的樣品用丙酮進(jìn)行超聲波清洗, 經(jīng)過研磨和機(jī)械拋光后用2%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕. 使用VK-X210激光共聚焦掃描顯微鏡表征剝落坑形貌; 使用D8 Discover型X射線衍射儀(XRD)分析計(jì)算試樣中的相組成及其相對(duì)含量, 掃描速度為2°·min-1, 殘余奧氏體含量由(200)α、(200)γ、(211)α、(220)γ、(311)γ衍射峰計(jì)算[11]; 使用HV-1000顯微硬度計(jì)測(cè)量從表面到亞表面的顯微硬度變化規(guī)律; 使用SU-5000掃描電子顯微鏡(SEM)觀察疲勞后試樣的亞表面微觀組織變化; 使用Hysitron TI Premier型納米壓痕儀表征不同變形區(qū)域的載荷位移曲線; 使用FEI Talos- F200X透射電鏡觀察塑性變形層微觀組織的變化, 其中透射電鏡樣品由聚焦離子束(FIB)制得.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同接觸應(yīng)力下無(wú)碳化物貝氏體高碳鋼的滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)各進(jìn)行3組, 循環(huán)次數(shù)分別取其3組試驗(yàn)結(jié)果的平均值, 在2.6GPa和1.8GPa接觸應(yīng)力下分別為3.4×105和1.1×107. 結(jié)果表明, 隨著接觸應(yīng)力的減小, 無(wú)碳化物貝氏體高碳鋼的循環(huán)次數(shù)明顯增加. 這說(shuō)明接觸應(yīng)力越大, 接觸面的彈性變形相應(yīng)也會(huì)增大, 滾動(dòng)接觸疲勞試樣的接觸面越容易發(fā)生損傷, 最終導(dǎo)致其疲勞壽命的降低.

通過對(duì)圖2中滾動(dòng)接觸疲勞失效試樣表面形貌的觀察, 可以發(fā)現(xiàn)兩種試樣的失效形式都是剝落. 其中2.6GPa接觸應(yīng)力的疲勞試樣剝落坑唯一, 呈深U形, 說(shuō)明剝落主要是由單一裂紋源造成的. 1.8GPa接觸應(yīng)力疲勞試樣的多個(gè)剝落坑互相連接, 呈蝶形, 由于互相在表面不遠(yuǎn)處萌生裂紋, 然后在循環(huán)外力作用下不斷擴(kuò)展并形成連接狀態(tài), 最后導(dǎo)致形成復(fù)合的剝落坑[12]. 表面疲勞失效的形貌不同主要是由接觸應(yīng)力大小不同造成的[8].

圖2 滾動(dòng)接觸疲勞表面形貌

圖3為不同接觸應(yīng)力下剝落坑的三維形貌.

圖3 剝落坑三維形貌(單位: μm)

從圖3中可以看到, 在2.6GPa接觸應(yīng)力條件下, 剝落坑的最大深度約為1000μm, 在1.8GPa接觸應(yīng)力條件下, 剝落深度約為450μm, 同時(shí)在試樣的邊緣發(fā)生了更深的微小剝落. 通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析, 2.6GPa接觸應(yīng)力條件下的疲勞樣品表面剝落坑深度大于1.8GPa下的剝落坑深度. 剝落坑深度的差異主要是由接觸應(yīng)力大小不同造成的, 較大的接觸應(yīng)力使得摩擦增大, 進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的表面疲勞損傷[13], 形成較深的剝落坑.

試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量?jī)煞N不同接觸應(yīng)力下疲勞試樣的顯微硬度梯度, 結(jié)果如圖4所示, 硬度都隨著深度的增加而降低. 2.6GPa接觸應(yīng)力下疲勞試樣的表面硬度約為781HV, 硬化層深度約為400μm; 1.8GPa下疲勞試樣的表面硬度約為747HV, 硬化層深度也約為400μm. 在距離表面約300μm的深度范圍內(nèi), 2.6GPa接觸應(yīng)力的疲勞試樣硬度始終高于1.8GPa的疲勞試樣硬度. 這種顯著的硬化是由多個(gè)因素影響造成的, 在滾動(dòng)接觸疲勞過程中, 較大的接觸應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的晶粒細(xì)化, 細(xì)化的晶粒使得硬度顯著提高, 盡管亞表面的硬度也增加了, 但在樣品的更深處, 變形可以忽略不計(jì)[14].

圖4 疲勞試樣顯微硬度梯度

大塑性變形條件下殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體的含量更高, 如圖5所示.

圖5 試樣不同狀態(tài)下的XRD圖譜

在2.6GPa接觸應(yīng)力條件下, 殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)從初始的32%轉(zhuǎn)變?yōu)槠诤蟮?5.3%; 而在1.8GPa接觸應(yīng)力條件下, 殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)從初始的32%轉(zhuǎn)變?yōu)槠诤蟮?0%, 同時(shí)亞表面產(chǎn)生更大的殘余應(yīng)力, 使得硬度值提升較高.

圖6為無(wú)碳化物貝氏體高碳鋼在不同接觸應(yīng)力下的裂紋形貌. 從圖中看到兩種疲勞試樣的裂紋均由表面萌生, 裂紋擴(kuò)展區(qū)域都存在塑性變形, 這表明兩種接觸應(yīng)力下裂紋的疲勞失效機(jī)理是相似的[15]. 2.6GPa接觸應(yīng)力疲勞試樣的裂紋擴(kuò)展深度和擴(kuò)展角度均大于1.8GPa接觸應(yīng)力疲勞試樣的值, 較大的裂紋擴(kuò)展深度和擴(kuò)展角度意味著在滾動(dòng)接觸疲勞循環(huán)載荷下出現(xiàn)了更為嚴(yán)重的疲勞損傷[16], 進(jìn)而導(dǎo)致了更深的剝落深度. 同時(shí)在1.8 GPa接觸應(yīng)力下, 裂紋尖端出現(xiàn)了鈍化現(xiàn)象, 這表明在相對(duì)較低的應(yīng)力條件下裂紋擴(kuò)展速率較小.

圖6 疲勞試樣亞表面裂紋形貌

圖7為不同接觸應(yīng)力條件下亞表面硬化層的形貌. 由于滾動(dòng)接觸疲勞過程不斷累積的應(yīng)變引起亞表面組織變形, 使硬化層出現(xiàn)了梯度結(jié)構(gòu)特征[17-18]. 圖7(a)中的硬化層由3個(gè)區(qū)域組成, 變形程度隨著深度的增加越來(lái)越小. 其中I區(qū)深度約為10μm, 組織結(jié)構(gòu)發(fā)生細(xì)化且沿著剪切方向被拉長(zhǎng); II區(qū)深度約為12μm, 板條發(fā)生輕微變形; III區(qū)沒有明顯的組織形貌變化, 僅僅是硬度得到了提高, 這是由馬氏體相變和殘余應(yīng)力引起的. 圖7(b)中的硬化層由兩個(gè)區(qū)域組成, I區(qū)深度約為2.5μm, 組織與表面平行并出現(xiàn)分層現(xiàn)象, 層與層之間存在著孔洞; II區(qū)形貌與圖7(a)中的III區(qū)形貌相似, 無(wú)明顯差異. 雖然經(jīng)歷了不同的循環(huán)次數(shù), 但是接觸應(yīng)力的增加使得塑性變形更加嚴(yán)重[19].

圖7 疲勞試樣亞表面組織形貌

為了揭示硬化層組織的變化程度, 分別對(duì)圖7(a)的I區(qū)、II區(qū)和III區(qū)進(jìn)行納米壓痕試驗(yàn). 3個(gè)被標(biāo)記區(qū)域的載荷位移曲線如圖8所示, 從I區(qū)到III區(qū)壓入深度呈梯度變化, 表面硬度最高, II區(qū)次之. 圖9為I區(qū)和II區(qū)組織的透射電鏡形貌, 從中可以看出, 由于I區(qū)發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形, 貝氏體鐵素體片層消失, 晶粒內(nèi)部產(chǎn)生大量的位錯(cuò), 形成亞結(jié)構(gòu); 而在II區(qū)晶粒被拉長(zhǎng), 邊界較為清晰. 這說(shuō)明在近表層的區(qū)域, 硬化層發(fā)生更為嚴(yán)重的剪切應(yīng)變, 導(dǎo)致微觀組織累積了更多的位錯(cuò), 使得晶粒細(xì)化更為嚴(yán)重.

圖8 2.6 GPa接觸應(yīng)力的疲勞試樣硬化層載荷位移曲線

圖9 2.6 GPa接觸應(yīng)力疲勞試樣變形層透射電鏡觀察

3 討論

圖10 接觸亞表面剪切應(yīng)力分布

圖11 亞表面剪切應(yīng)變估算示意和剪切應(yīng)變隨深度變化

圖12是滾動(dòng)接觸疲勞試樣疲勞失效的示意圖. 接觸表面上的微凸體不斷受到剪切應(yīng)力的作用, 使接觸表面粗糙度增大, 持續(xù)發(fā)生塑性變形, 不斷累積塑性應(yīng)變. 當(dāng)應(yīng)變程度超過臨界值時(shí), 表面產(chǎn)生微裂紋, 微裂紋的擴(kuò)展引起點(diǎn)蝕[22]. 同時(shí)亞表面在塑性變形過程中, 殘余奧氏體發(fā)生相變成為馬氏體, 硬馬氏體和軟貝氏體鐵素體的邊界處形成韌性孔洞[9](圖12(b)), 裂紋在循環(huán)壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力的作用下從表面沿著一定角度緩慢地向亞表面擴(kuò)展, 不斷連接孔洞(圖12(c)), 快速擴(kuò)展至亞表面深處, 由于沒有足夠的能量使得裂紋向更深處擴(kuò)展, 裂紋便改變方向, 向著與表面平行的方向擴(kuò)展, 擴(kuò)展一定距離后, 朝著試樣表面的方向急速擴(kuò)展, 從而導(dǎo)致試樣發(fā)生剝落(圖12(d)).

圖12 疲勞失效過程示意

4 結(jié)論

(1)無(wú)碳化物貝氏體高碳鋼在相對(duì)較低接觸應(yīng)力條件下有更優(yōu)異的滾動(dòng)接觸疲勞性能,失效形式是剝落. 2.6GPa高接觸應(yīng)力下, 試樣形成深而窄的單一剝落坑; 1.8GPa低接觸應(yīng)力下, 形成多個(gè)淺而寬的剝落坑.

(2)表面剪切應(yīng)力和應(yīng)變梯度導(dǎo)致梯度結(jié)構(gòu)形成. 其中2.6GPa高接觸應(yīng)力試樣由3個(gè)區(qū)域組成; 1.8GPa低接觸應(yīng)力試樣由2個(gè)區(qū)域組成, 并且近表面區(qū)域出現(xiàn)了孔洞特征.

(3)在滾動(dòng)接觸疲勞過程中, 表面持續(xù)發(fā)生塑性變形, 塑性變形增加表面粗糙度, 引起剪切應(yīng)力增大, 同時(shí)最大剪切應(yīng)力上移至表面. 在剪切應(yīng)力的作用下, 表面萌生微裂紋, 微裂紋連接孔洞后向著亞表面快速擴(kuò)展, 擴(kuò)展到一定深處后, 發(fā)生剝落失效.

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Failure analysis of carbide-free bainitic high carbon steel under rolling contact fatigue

QIU Lining, Li Shuxin*, Jiang Ganghui, Yu Feng, Lu Siyuan

( Faculty of Mechanical Engineering & Mechanics, Ningbo University, Ningbo 315211, China )

Rolling contact fatigue test was carried out on carbide-free bainitic high carbon steel. The failure behavior and mechanism were studied under low and high stress levels by means of scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), nano-indentation, microhardness tester and three-dimensional profilometer. The results showed that carbide-free bainitic high carbon steel showed much longer rolling contact fatigueperformanceunder lower contact stress of 1.8GPa. Specimens failed in the way of surface spalling. Under high contact stress level of 2.6GPa, severe plastic deformation was observed on the surface. The increased surface roughness led to the rise in the magnitude of the maximum shear stress and the location shifted close to the surface. Gradient microstructure was generated in the plastic deformation layer under 2.6GPa, but was not observed under 1.8GPa, where many voids were presentedin the plastic deformation layer.

carbide-free bainitic high carbon steel; stress; surface spalling; gradient structure; voids

TG113

A

1001-5132（2021）02-0055-06

2020?11?06.

寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國(guó)家自然科學(xué)基金（51675287, 52075271）; 寧波大學(xué)王寬誠(chéng)幸福基金.

仇立寧（1995－）, 男, 山東青島人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 接觸疲勞. E-mail: qq185939569@163.com

李淑欣（1975－）, 女, 寧夏中衛(wèi)人, 教授, 主要研究方向: 接觸疲勞、摩擦磨損性能. E-mail: lishuxin@nbu.edu.cn

（責(zé)任編輯 韓 超）