軸承鋼主要用于制作支承齒輪、連桿等軸類傳動件,在飛行器、汽車、航空設備等工程領域中應用廣泛。軸類傳動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的載荷作用[1]。將循環(huán)周次超過107次的疲勞行為稱為超長壽命疲勞,也稱高周疲勞[2]。軸承在實際應用中主要受到接觸應力和彎曲應力,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裂和斷裂。筆者對高碳鉻軸承鋼在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下承受彎曲力矩時的疲勞性能進行研究,以期為提高軸承鋼的疲勞性能提供理論支撐。 

1.   試驗材料及方法

試樣材料為SUJ2S1高碳鉻軸承鋼,其主要化學成分如表1所示。 

采用簡支梁旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機,按照GB/T 4337—2015《金屬材料 疲勞試驗 旋轉(zhuǎn)彎曲方法》的要求對圓棒試樣進行疲勞試驗,試樣加工尺寸如圖1所示。在加工試樣時,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。試驗采用多點加力模式,試驗溫度為室溫,轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,判定標準為試樣斷裂或試驗循環(huán)次數(shù)達到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（疲勞強度）-N（疲勞壽命）曲線。采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）進行斷口形貌觀察,采用能譜儀對疲勞斷口的夾雜物進行分析。 

圖  1  疲勞試樣尺寸示意

2.   試驗結(jié)果與分析

2.1   升降法測試疲勞極限

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

式中：a為有效試樣總個數(shù)；ai為第 i 個試樣所處的應力,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,標準差為16.81 MPa。 

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

圖  2  SUJ2S1高碳鉻軸承鋼疲勞試驗升降圖

2.2   試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞S-N曲線

S-N曲線是以材料標準試樣疲勞強度為縱坐標,疲勞壽命為橫坐標,表示一定循環(huán)特征下標準試樣的疲勞強度與疲勞壽命之間關系的曲線,也稱應力-壽命曲線。根據(jù)軸承鋼在載荷條件下的應力-循環(huán)次數(shù)曲線和S-N曲線,可以計算出軸承鋼的安全系數(shù)、損傷率和疲勞壽命。根據(jù)軸承鋼應力-循環(huán)次數(shù)曲線相對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到設計要求。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,補充了軸承鋼疲勞數(shù)據(jù)不足的問題,為汽車廠疲勞仿真分析提供可靠的數(shù)據(jù)基礎,預測零部件的設計壽命。 

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

用掃描電鏡對旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口進行觀察,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,主要是在機械加工過程中產(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,夾雜物破壞了試驗鋼的均勻性,產(chǎn)生了應力集中,在應力集中處產(chǎn)生疲勞源,最終導致高碳鉻軸承鋼發(fā)生疲勞斷裂；裂紋擴展區(qū)形貌呈典型的河流、臺階狀,為解理斷裂特征形貌,存在撕裂紋形貌；瞬斷區(qū)可見韌窩,為韌性斷裂特征形貌。 

圖  4  SUJ2S1鋼的疲勞斷口SEM形貌

對試驗鋼中的非金屬夾雜物進行能譜分析,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）試驗鋼疲勞斷裂的原因為試樣表面存在機械加工缺陷和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％存活率時的疲勞極限為300 MPa,補充了軸承鋼疲勞數(shù)據(jù)不足的問題,為汽車廠軸承疲勞仿真分析提供可靠的數(shù)據(jù)基礎。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)