仇立寧, 李淑欣, 蔣港輝, 余 豐, 魯思淵

無碳化物貝氏體高碳鋼滾動接觸疲勞失效分析

仇立寧, 李淑欣*, 蔣港輝, 余 豐, 魯思淵

（寧波大學 機械工程與力學學院, 浙江 寧波 315211）

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

無碳化物貝氏體高碳鋼; 應力; 表面剝落; 梯度結構; 孔洞

滾動接觸疲勞(RCF)是輪軌、軸承等零件最主要的失效方式, 它會使鋼的組織發(fā)生變化, 降低其力學性能, 甚至在接觸表面發(fā)生點蝕和剝落, 導致機械設備運轉不穩(wěn)定. 人們對影響滾動接觸疲勞性能的因素進行了廣泛研究, 比如接觸應力[1-2]、滑差率[1,3]、潤滑條件[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, 貝氏體鋼由于其優(yōu)異的強度和韌性而備受關注. Granham等[7]認為滾動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, 當變形程度超過韌性極限時, 在高應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, 進而導致表面損傷, 形成深層剝落. Solano-Alvarez等[9]認為無碳化物貝氏體鋼的損傷機理不同于傳統(tǒng)的軸承鋼, 孔洞的形成與連接是損傷演化的一個關鍵機制. Zheng等[10]報道了無碳化物貝氏體中碳鋼在1.7GPa的接觸應力下疲勞裂紋源一般產(chǎn)生在試樣的接觸表面, 其滾動接觸疲勞失效形式為點蝕和剝落. 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制上, 而較少對貝氏體高碳鋼的失效機制進行深入研究. 因此, 有必要對貝氏體高碳鋼進行深入探討, 研究其失效本質.

以無碳化物貝氏體高碳鋼為對象, 通過滾動接觸疲勞試驗對比分析了不同接觸應力條件下的疲勞失效機理. 從剝落形貌、裂紋的萌生及擴展和硬化層變化等方面表征了滾動接觸疲勞的失效機制, 以期為無碳化物貝氏體高碳鋼的損傷程度評價提供理論參考.

1 試驗方法

試驗用貝氏體鋼經(jīng)冶煉與電渣重熔后鍛成Φ70mm的棒材, 其化學成分見表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 試驗用鋼化學成分 %

滾動接觸疲勞試驗在MJP-30型滾動接觸疲勞試驗機上進行, 試驗條件為常溫、油潤滑, 每個試樣都由獨立電機驅動, 以設置不同的滑差率, 原理模型如圖1所示. 兩種試驗的接觸應力分別為2.6 GPa和1.8GPa, 其中上試樣轉速設定為850r·min-1, 下試樣轉速設定為1000r·min-1. 使用振動傳感器監(jiān)測試驗機狀況, 當振動傳感器監(jiān)測的振動值大于設定的振動數(shù)值時, 試驗機將自動停止.

圖1 滾動接觸疲勞試驗原理模型

滾動接觸疲勞試驗結束后, 將樣品從試驗機上卸載下來, 使用電火花線切割機沿著周向和軸向切割疲勞試樣, 切割后的樣品用丙酮進行超聲波清洗, 經(jīng)過研磨和機械拋光后用2%的硝酸酒精溶液進行腐蝕. 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)分析計算試樣中的相組成及其相對含量, 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衍射峰計算[11]; 使用HV-1000顯微硬度計測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 試驗結果及分析

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

通過對圖2中滾動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接觸應力的疲勞試樣剝落坑唯一, 呈深U形, 說明剝落主要是由單一裂紋源造成的. 1.8GPa接觸應力疲勞試樣的多個剝落坑互相連接, 呈蝶形, 由于互相在表面不遠處萌生裂紋, 然后在循環(huán)外力作用下不斷擴展并形成連接狀態(tài), 最后導致形成復合的剝落坑[12]. 表面疲勞失效的形貌不同主要是由接觸應力大小不同造成的[8].

圖2 滾動接觸疲勞表面形貌

圖3為不同接觸應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接觸應力條件下, 剝落坑的最大深度約為1000μm, 在1.8GPa接觸應力條件下, 剝落深度約為450μm, 同時在試樣的邊緣發(fā)生了更深的微小剝落. 通過數(shù)據(jù)對比分析, 2.6GPa接觸應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力大小不同造成的, 較大的接觸應力使得摩擦增大, 進而導致嚴重的表面疲勞損傷[13], 形成較深的剝落坑.

試驗結束后測量兩種不同接觸應力下疲勞試樣的顯微硬度梯度, 結果如圖4所示, 硬度都隨著深度的增加而降低. 2.6GPa接觸應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因素影響造成的, 在滾動接觸疲勞過程中, 較大的接觸應力會導致嚴重的晶粒細化, 細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[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接觸應力條件下, 殘余奧氏體體積分數(shù)從初始的32%轉變?yōu)槠诤蟮?5.3%; 而在1.8GPa接觸應力條件下, 殘余奧氏體體積分數(shù)從初始的32%轉變?yōu)槠诤蟮?0%, 同時亞表面產(chǎn)生更大的殘余應力, 使得硬度值提升較高.

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

圖6 疲勞試樣亞表面裂紋形貌

圖7為不同接觸應力條件下亞表面硬化層的形貌. 由于滾動接觸疲勞過程不斷累積的應變引起亞表面組織變形, 使硬化層出現(xiàn)了梯度結構特征[17-18]. 圖7(a)中的硬化層由3個區(qū)域組成, 變形程度隨著深度的增加越來越小. 其中I區(qū)深度約為10μm, 組織結構發(fā)生細化且沿著剪切方向被拉長; 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力引起的. 圖7(b)中的硬化層由兩個區(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, 無明顯差異. 雖然經(jīng)歷了不同的循環(huán)次數(shù), 但是接觸應力的增加使得塑性變形更加嚴重[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, 分別對圖7(a)的I區(qū)、II區(qū)和III區(qū)進行納米壓痕試驗. 3個被標記區(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, 形成亞結構; 而在II區(qū)晶粒被拉長, 邊界較為清晰. 這說明在近表層的區(qū)域, 硬化層發(fā)生更為嚴重的剪切應變, 導致微觀組織累積了更多的位錯, 使得晶粒細化更為嚴重.

圖8 2.6 GPa接觸應力的疲勞試樣硬化層載荷位移曲線

圖9 2.6 GPa接觸應力疲勞試樣變形層透射電鏡觀察

3 討論

圖10 接觸亞表面剪切應力分布

圖11 亞表面剪切應變估算示意和剪切應變隨深度變化

圖12是滾動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, 不斷累積塑性應變. 當應變程度超過臨界值時, 表面產(chǎn)生微裂紋, 微裂紋的擴展引起點蝕[22]. 同時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)壓應力和剪切應力的作用下從表面沿著一定角度緩慢地向亞表面擴展, 不斷連接孔洞(圖12(c)), 快速擴展至亞表面深處, 由于沒有足夠的能量使得裂紋向更深處擴展, 裂紋便改變方向, 向著與表面平行的方向擴展, 擴展一定距離后, 朝著試樣表面的方向急速擴展, 從而導致試樣發(fā)生剝落(圖12(d)).

圖12 疲勞失效過程示意

4 結論

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

(2)表面剪切應力和應變梯度導致梯度結構形成. 其中2.6GPa高接觸應力試樣由3個區(qū)域組成; 1.8GPa低接觸應力試樣由2個區(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, 引起剪切應力增大, 同時最大剪切應力上移至表面. 在剪切應力的作用下, 表面萌生微裂紋, 微裂紋連接孔洞后向著亞表面快速擴展, 擴展到一定深處后, 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.

寧波大學學報（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國家自然科學基金（51675287, 52075271）; 寧波大學王寬誠幸?；?

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

（責任編輯 韓 超）