8Cr4Mo4V材料鋼球滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)研究

楊曉峰， 于慶杰， 王文雪， 韓 松， 李正輝， 沙 磊， 宋阿開

（1. 空裝駐哈爾濱地區(qū)第一軍事代表室, 哈爾濱 150066；2. 中國(guó)航發(fā)哈爾濱軸承有限公司, 哈爾濱 150025）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中起轉(zhuǎn)動(dòng)支撐作用。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升，主軸承面臨的工作環(huán)境越來越惡劣，如高溫、高轉(zhuǎn)速、大載荷等條件，所以對(duì)材料的選取性能要求較高。其中8Cr4Mo4V作為航空主軸承常用的國(guó)產(chǎn)材料，隨著材料熱處理及加工工藝的優(yōu)化調(diào)整，軸承使用性能不斷提升，但針對(duì)當(dāng)前工藝水平下的8Cr4Mo4V材料軸承的鋼球滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)研究較少。

Galbato等[1]使用五球試驗(yàn)機(jī)開展了M50（8Cr4Mo4V）鋼球接觸疲勞試驗(yàn)，在 5.52 GPa應(yīng)力下，疲勞壽命為1.888×107應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。周井玲等[2]采用三點(diǎn)純滾動(dòng)接觸疲勞壽命加速試驗(yàn)機(jī)針對(duì)GCr15材料開展了球疲勞試驗(yàn)，并采用最大似然處理法對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)處理，獲得不同破壞概率下的壽命。孫永安等[3]采用推力盤試驗(yàn)機(jī)開展了GCr15材料鋼球接觸試驗(yàn)。王磊等[4]研制了BFT-10000五球疲勞試驗(yàn)機(jī)的，主要用于球滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)，并闡述了試驗(yàn)機(jī)組成結(jié)構(gòu)與功能。

本研究主要為了評(píng)價(jià)當(dāng)前工藝水平下航空主軸承用8Cr4Mo4V材料鋼球滾動(dòng)接觸疲勞性能，采用五球疲勞試驗(yàn)機(jī)開展不同應(yīng)力水平下接觸疲勞試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)失效鋼球通過失效模式與失效斷口演變形式分析，確定試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性，同時(shí)為了對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出簡(jiǎn)單程序數(shù)據(jù)處理方法，獲得不同失效概率下的鋼球疲勞壽命并形成P-N疲勞曲線，試驗(yàn)研究結(jié)果可為8Cr4Mo4V材料鋼球接觸疲勞壽命確定提供參考。

1 五球疲勞試驗(yàn)機(jī)工作原理

圖1為五球疲勞試驗(yàn)機(jī)工作原理圖[5]。試驗(yàn)樣品為1粒被試球與4粒陪試球，5球疲勞試驗(yàn)機(jī)工裝工作前將保持架放置在滾道腔體的滾道腔中，再將4粒陪試球放置于保持架4個(gè)兜孔中，球夾具桿與夾具頭夾緊被試球，通過電主軸連接夾具桿一起旋轉(zhuǎn)，滾道腔體安裝放置在力加載裝置上，由滾道腔體傳遞載荷。試驗(yàn)過程中通過噴油潤(rùn)滑保證工作溫度，由振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)試驗(yàn)樣品疲勞損壞產(chǎn)生振動(dòng)超出標(biāo)準(zhǔn)值來或達(dá)到設(shè)定的最大試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)時(shí)自動(dòng)停機(jī)。

圖1 試驗(yàn)機(jī)原理圖Fig.1 Schematic diagram of testing machine

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)樣品為直徑9.525 mm的8Cr4Mo4V鋼球，精度等級(jí)為G5級(jí)，冶煉方式為雙真空冶煉。

試驗(yàn)機(jī)設(shè)定工作轉(zhuǎn)速為3000 r/min，試驗(yàn)接觸應(yīng)力為 5.5、5.9、6.3 GPa，其中 5.5 GPa應(yīng)力主要用于對(duì)標(biāo)文獻(xiàn)[1]的國(guó)外試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其余2組為等比增大應(yīng)力的加速試驗(yàn)。潤(rùn)滑油牌號(hào)為飛馬Ⅱ號(hào)，潤(rùn)滑方式為噴油潤(rùn)滑，試驗(yàn)溫度30～40 ℃。試驗(yàn)過程停機(jī)采用產(chǎn)生損壞（振動(dòng)監(jiān)測(cè)值為25 μm振動(dòng)閥值）自動(dòng)停機(jī)或達(dá)到最大設(shè)定試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)（為文獻(xiàn)[1]國(guó)外試驗(yàn)數(shù)據(jù)的3倍）。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)獲得樣品在3個(gè)接觸應(yīng)力水平下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中，5.5 GPa應(yīng)力組試驗(yàn)達(dá)到設(shè)定接觸應(yīng)力循環(huán)次數(shù)5.7×107自動(dòng)停機(jī)，被試鋼球表面形貌完好；5.9、6.3 GPa應(yīng)力組試驗(yàn)在達(dá)到振動(dòng)閾值后自動(dòng)停機(jī)，被試鋼球均發(fā)生疲勞失效，接觸應(yīng)力循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 鋼球在 5.9、6.3 GPa 應(yīng)力下疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Fatigue test data of steel ball under 5.9、6.3 GPa stress

3.1 鋼球形貌分析

用體視顯微鏡觀察鋼球整體接觸形貌，采用激光共聚焦顯微鏡對(duì)接觸形貌局部放大觀察，結(jié)果見圖2。由圖可見，5.5 GPa應(yīng)力下的試驗(yàn)鋼球旋轉(zhuǎn)接觸區(qū)有正常接觸環(huán)帶印記，但沒有深度，未產(chǎn)生剝落；對(duì)5.9、6.3 GPa應(yīng)力試驗(yàn)鋼球接觸疲勞斷口及剝落坑形貌進(jìn)行觀察，符合疲勞試驗(yàn)失效機(jī)理，判定失效形式均為次表層疲勞失效，認(rèn)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效，可供數(shù)據(jù)分析[6-9]。

圖2 鋼球在3種應(yīng)力下的接觸形貌與局部放大圖Fig.2 Contact morphology and partial enlarged view of steel ball under three stresses

由試驗(yàn)鋼球在5.9、6.3 GPa應(yīng)力下的失效形貌可以看出，失效區(qū)為長(zhǎng)條形，其長(zhǎng)度方向上為旋轉(zhuǎn)方向，寬度方向上為與旋轉(zhuǎn)方向相垂直的，由于靜態(tài)接觸應(yīng)力越大，接觸寬度越大，所以6.3 GPa應(yīng)力的失效剝落區(qū)寬度大于5.9 GPa應(yīng)力的剝落區(qū)寬度。而試驗(yàn)自動(dòng)停機(jī)的振動(dòng)值在線監(jiān)測(cè)是與樣件失效面積相關(guān)的，在初期失效為圓形，但失效面積產(chǎn)生的振動(dòng)并未達(dá)到振動(dòng)閾值，繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)后失效面積增大，達(dá)到振動(dòng)閾值，形成最終的后期失效斷口，同時(shí)在斷口邊緣形成碾擴(kuò)痕跡[10]。失效斷口演變示意圖見圖3。

圖3 鋼球失效斷口演變示意圖Fig.3 Schematic diagram of the steel ball failure fracture evolution

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理

對(duì)于5.5 GPa應(yīng)力水平的6組試驗(yàn)，被試鋼球均達(dá)到5.7×107應(yīng)力循環(huán)次數(shù)自動(dòng)停機(jī)，鋼球表面形貌完好，可以確定在該應(yīng)力水平下接觸疲勞壽命是大于5.7×107次應(yīng)力循環(huán)的。國(guó)外材料M50（8Cr4Mo4V）鋼球接觸疲勞試驗(yàn)，在相同應(yīng)力下其疲勞壽命為1.888×107應(yīng)力循環(huán)次數(shù)[1]，而國(guó)內(nèi)當(dāng)前工藝水平鋼球的疲勞壽命是國(guó)外早期水平的3倍以上（考慮試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)等因素，國(guó)內(nèi)該材料鋼球接觸疲勞試驗(yàn)并未進(jìn)行到疲勞失效）。

由 5.9、6.3 GPa應(yīng)力水平的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（表 1）可知，鋼球均發(fā)生疲勞失效。針對(duì)鋼球的接觸疲勞壽命的離散性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用Weibull分布法，斜率k與特征壽命beta采用最佳線性不變估計(jì)方法計(jì)算，采用Matlab軟件編寫有相應(yīng)的算法可以計(jì)算出兩參數(shù)[11]。Matlab計(jì)算的程序如下：

data=[………]；試驗(yàn)數(shù)據(jù)矩陣

data=sort(data)；試驗(yàn)數(shù)據(jù)升序排列

t=wblfit(data)；威布爾計(jì)算兩參數(shù)

beta=t(1)；特征壽命

k=t(2)；斜率

在得到斜率k與特征壽命beta兩個(gè)參數(shù)后，可以通過式(1)估算出不同失效概率S時(shí)的壽命LS。

數(shù)據(jù)處理的結(jié)果見表2，計(jì)算出5.9、6.3 GPa應(yīng)力水平下的L10、L50疲勞壽命，做出2個(gè)應(yīng)力水平下的疲勞壽命威布爾分布圖，即P-N曲線（圖4）。

圖4 鋼球疲勞曲線Fig.4 Fatigue curve of steel ball

表2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果Table 2 Data processing result

根據(jù)YB/T 5354—2014中接觸疲勞壽命試驗(yàn)中應(yīng)力與壽命函數(shù)關(guān)系[12]：

其對(duì)數(shù)形式為：

式中：L為試驗(yàn)試樣壽命；P為試驗(yàn)應(yīng)力，GPa；C、m為試驗(yàn)待定參數(shù)。

將數(shù)據(jù)處理后的5.9、6.3 GPa應(yīng)力值及其同一失效概率壽命分別帶入式(3)中，可求得試驗(yàn)待定參數(shù)C、m的值，進(jìn)而可以再用式(2)預(yù)測(cè)出不同應(yīng)力下的接觸疲勞壽命。L10疲勞壽命下計(jì)算C 為 6.637 8×1044，m 為 49.17，L50疲勞壽命下計(jì)算C 為 4.619×1044，m 為 48.65。

4 結(jié)論

1）當(dāng)前工藝水平航空主軸承用8Cr4Mo4V材料鋼球滾動(dòng)接觸疲勞壽命是國(guó)外1992年試驗(yàn)材料鋼球疲勞壽命的3倍以上。

2）通過對(duì) 9.525 mm直徑 8Cr4Mo4V材料鋼球疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，求解出應(yīng)力壽命函數(shù)的待定系數(shù)，可預(yù)測(cè)出不同應(yīng)力水平下的接觸疲勞壽命。