試樣表面劃痕對(duì)接觸疲勞試驗(yàn)結(jié)果的影響

欒景燕，楊明亮，安浩俊

（中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 研發(fā)中心，哈爾濱 150000）

在接觸疲勞試驗(yàn)過程中，由于試樣在終加工及檢測(cè)時(shí)工作表面易產(chǎn)生劃傷、壓印等缺陷，產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為疲勞裂紋源，導(dǎo)致早期疲勞破損而使壽命顯著降低。因此，其試驗(yàn)壽命不能反映材料因素對(duì)接觸疲勞壽命的影響及規(guī)律性。在研究材料、工藝等單因素對(duì)疲勞壽命影響的試驗(yàn)過程中，會(huì)影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性和應(yīng)用價(jià)值。

為此，研究GCr15軸承鋼試樣表面缺陷（劃痕）對(duì)接觸疲勞壽命的影響規(guī)律，并提示試驗(yàn)相關(guān)人員在試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)試樣表面缺陷嚴(yán)格檢查和控制，以確保試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

用GCr15軸承鋼加工成推力片試樣（圖1），經(jīng)正常熱處理淬回火和終加工后，試樣硬度為63.5～64.5 HRC，表面粗糙度Ra為0.08μm。

圖1 推力片試樣Fig.1 Thrust piece sample

為保證試樣表面缺陷的一致性，采用模擬法［1］制作不同的劃痕試樣，如圖2所示。洛氏硬度金剛石壓頭圓錐角為120°，錐頂圓弧半徑r為0.2 mm，根據(jù)劃痕寬度B計(jì)算其深度t

圖2 試樣表面制備劃痕示意圖Fig.2 Sketch of the preparation of sample surface scratch

利用洛氏硬度金剛石壓頭在不同載荷作用下制備了不同寬度及深度的劃痕，劃痕與滾動(dòng)方向夾角分別為 0，45°，90°，試樣共分 5組，每組 15件，試樣的劃痕尺寸和方向見表1。

表1 劃痕的尺寸和方向Tab.1 Size and direction of surface scratch

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在TLP接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其工作原理（圖3）與推力球軸承相似，僅推力球軸承的座圈被平面試樣所代替。當(dāng)推力球軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)，在保持架內(nèi)的鋼球圍繞主軸軸線沿緊圈溝道面進(jìn)行自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，模擬推力球軸承的工作條件進(jìn)行接觸疲勞試驗(yàn)。

圖3 試驗(yàn)原理圖Fig.3 Test principle diagram

在同一應(yīng)力水平下，采用交叉試驗(yàn)法［2］進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)接觸應(yīng)力為420 kg／mm2，試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 050 r／min，用20＃機(jī)械油循環(huán)潤(rùn)滑。試驗(yàn)過程中，試樣平均溫度小于50℃。各種劃痕試樣全部運(yùn)轉(zhuǎn)至疲勞剝落［3］為止，然后用二參數(shù)Weibull分布［4］和最大似然估計(jì)法處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

不同劃痕試樣的接觸疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表2和圖4所示。

圖4 不同劃痕試樣疲勞壽命分布的P-N曲線Fig.4 P-N curves of fatigue life distribution of differernt scratch samples

對(duì)比表2中1＃和2＃試樣數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)劃痕方向與滾動(dòng)方向成90°時(shí)，2＃試樣的3種壽命比1＃試樣的低。由此可見，接觸疲勞壽命隨著表面劃痕的加深而降低；對(duì)比2?！?＃試樣數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)劃痕深度相同（6μm）時(shí)，4＃試樣壽命最高，2＃試樣壽命最低。由此可見，劃痕方向?qū)佑|疲勞的影響較為顯著，隨著與滾動(dòng)方向夾角的增大，壽命急劇下降。與滾動(dòng)方向垂直的劃痕對(duì)疲勞性能的危害最為嚴(yán)重，在試驗(yàn)中必須嚴(yán)格控制。

表2 不同劃痕試樣的接觸疲勞壽命Tab.2 Contact fatigue life of different scratch test samples

2 結(jié)果分析

疲勞試樣的宏觀照片如圖5所示。由圖可知，疲勞部位發(fā)生在鋼球運(yùn)動(dòng)前進(jìn)方向。試樣劃痕一側(cè)，由于表面損傷引起滾動(dòng)接觸金屬表面發(fā)生顯微裂紋，屬于表面起源型疲勞。

圖5 疲勞破損試樣的宏觀形貌Fig.5 Macroscopic morphology of fatigue damaged samples

疲勞部位如圖6所示。由圖可知，鋼球反復(fù)經(jīng)過劃痕處，劃痕兩側(cè)由于較大的塑性變形而使劃痕變得平坦：其中背離滾動(dòng)方向一側(cè)（簡(jiǎn)稱劃痕左側(cè)）接近輾平，而沿滾動(dòng)方向一側(cè)（簡(jiǎn)稱劃痕右側(cè)）則形成有微凸的鼓包。

圖6 疲勞部位示意圖Fig.6 Sketch diagram of fatigue site

疲勞裂紋從劃痕右側(cè)產(chǎn)生，并與滾動(dòng)方向成一小傾角，沿鋼球滾動(dòng)方向擴(kuò)展，擴(kuò)展到一定長(zhǎng)度，裂紋轉(zhuǎn)向沿近似平行于表面的方向擴(kuò)展。這是由于在制作劃痕時(shí)，由于金屬塑性變形，在劃痕兩側(cè)形成凸起。當(dāng)鋼球通過時(shí)，在壓應(yīng)力作用下，劃痕左側(cè)附近金屬易沿劃痕方向產(chǎn)生塑性流動(dòng)，逐漸輾成很小的傾斜面，該處在變形過程中主要受壓應(yīng)力；當(dāng)鋼球跨越劃痕與右側(cè)面接觸滾動(dòng)時(shí)，凸峰金屬受切向力和壓應(yīng)力的作用，使其發(fā)生向前塑性流動(dòng)，劃痕右側(cè)面下部金屬受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。由于該處金屬塑性流動(dòng)比左側(cè)困難，凸峰受高壓變形，而表層內(nèi)的金屬受到反復(fù)拉應(yīng)力和切應(yīng)力的作用而形成疲勞裂紋，并沿運(yùn)動(dòng)方向擴(kuò)展至疲勞破壞。由于與滾動(dòng)方向垂直的劃痕側(cè)面受到的拉應(yīng)力和切應(yīng)力要比其他2個(gè)方向的大，故疲勞壽命顯著下降。

試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，在表面劃痕較淺，對(duì)疲勞壽命的影響減輕，當(dāng)劃痕深度為3μm、寬度為70μm時(shí)，其中有部分試樣的疲勞點(diǎn)沒有出現(xiàn)在劃痕缺陷部位。

3 結(jié)論

表面劃痕的形貌對(duì)接觸疲勞壽命有不同程度的影響，主要表現(xiàn)在接觸疲勞壽命隨表面劃痕的加深而降低；隨劃痕與滾動(dòng)方向夾角的增大而急劇下降。當(dāng)劃痕的深度和寬度小于一定尺寸時(shí)，劃痕對(duì)接觸疲勞性能無明顯影響。