滲碳M50NiL鋼磨削表面完整性特征及疲勞失效機理

婁艷芝，李春志，李旭東，謝孝昌，趙振業(yè)

(中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095)

滲碳M50NiL鋼磨削表面完整性特征及疲勞失效機理

婁艷芝，李春志，李旭東，謝孝昌，趙振業(yè)

(中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095)

用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、顯微硬度計、殘余應力測定儀，分析研究滲碳M50NiL鋼普通磨削和精密磨削兩種工藝的表面完整性特征，通過旋轉彎曲疲勞實驗實測兩種試樣的疲勞性能，并對疲勞實驗結果進行模擬分析。結果表明:在不考慮表面加工缺陷的理想情況下，滲碳M50NiL鋼旋轉彎曲疲勞裂紋在亞表面起源；普通磨削產生的表面應力集中，將疲勞源從亞表面移至表面；精密磨削通過優(yōu)化磨削工藝改善了表面變質層特征，有效抑制了加工表面應力集中敏感，將疲勞源從表面回歸至亞表面；旋轉彎曲疲勞壽命最高可提高30倍，平均提高15倍。

M50NiL鋼；磨削；表面完整性；疲勞；失效機理

航空工業(yè)的發(fā)展對軸承、齒輪的壽命和可靠性要求愈來愈高。長壽命、高可靠和結構減重是航空工業(yè)永恒的追求目標。為了提高構件壽命及可靠性，一般通過改善組織性能、提高機械加工水平以及研發(fā)新材料來實現。

M50NiL鋼是美國20世紀80年代在M50鋼的基礎上改型成功的一種表層硬化型航空軸承齒輪鋼[1]。它是一種低碳，高鉬、鎳、鉻含量的二次硬化型鋼，硬度為HRC42～46，具有較好的塑性和韌性[2]，回火后使用溫度可高達316 ℃。M50NiL鋼具有優(yōu)良的化學熱處理性能，化學熱處理后可在表面層形成較高的殘余壓應力，有利于提高疲勞壽命。目前，在美國、歐盟等國家，M50NiL鋼被普遍用于航空軸承和齒輪，在我國尚處于應用起步階段[3-8]，有著巨大的潛力和廣泛的應用前景。

M50NiL鋼有一突出弱點，就是疲勞強度對應力集中敏感。如果在機械制造過程中，構件表面出現超出設計規(guī)定的加工損傷，則會在表面附加一個應力集中，大幅度降低疲勞壽命。現有數據表明[9-10]，軸承和齒輪的失效均以疲勞失效為主，疲勞多起源于構件表面，與加工缺陷直接相關?？梢?，合理控制機械加工過程中的表面完整性，減少表面加工損傷，是提高M50NiL構件疲勞性能的有效途徑之一。

1 實驗材料與方法

材料為M50NiL超高強度軸承齒輪鋼，由北京航空材料研究院與撫順特鋼聯(lián)合研制生產，采用“VIM+VAR”雙真空熔煉，鍛軋開坯成材[11]，其主要化學成分如表1所示。

表1 M50NiL鋼主要化學成分(質量分數%)Table 1 Composition of M50NiL steel (mass fraction%)

M50NiL鋼經滲碳和熱處理之后進行磨削加工，磨削加工工藝分為兩種，一種是普通磨削，進給量為10 μm；另一種是精密磨削，進給量為3 μm，其他磨削參數相同。

采用掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、維氏硬度計、X射線殘余應力儀、透射電子顯微鏡(TEM)等觀察兩類試樣的表面完整性和表面變質層差異[12]，通過旋轉彎曲疲勞實驗評價其疲勞性能，比較疲勞行為，進行疲勞失效分析，探討失效機理。M50NiL鋼Kt=1旋轉彎曲疲勞試樣如圖1所示：

2 實驗結果

用掃描電子顯微鏡觀察磨削表面，結果如圖2所示。與普通磨削相比，精密磨削表面粗糙度較小，表面磨痕較淺。

試樣表面的AFM形貌及輪廓圖如圖3所示。表面粗糙度分別為普通磨削0.123 μm，精密磨削0.054 μm。

評析 在△PBA中，例7第1問用余弦定理解三角形及第2問用正弦定理及兩角和與差公式容易得例8根據布洛卡點的已知性質cotθ=cotA+cotB+cotC，當時，得整理得即sin2A=sinBsinC，由正弦定理得a2=bc，故三邊成等比數列.事實上，三角形還有一些其它的特殊點，如“費馬點” 、“密克爾點”、“等積點”、“等和點”，也是可以作為未來高考數學文化試題命題重要的考慮對象.

M50NiL鋼對應力集中非常敏感，強度越高，敏感性越大。因機械加工表面形貌的不同，會產生不同的表面應力集中系數。根據Arola和Ramulu關于應力集中的經驗公式(1)，可以計算出兩種加工表面的表面應力集中系數Kst。結果如表2所示。

(1)

式中：n為比例系數；Ra為平均粗糙度；Ry為波峰到波谷的最大值；Rz為十點平均值；ρ為磨削產生波谷底部的最小曲率半徑。

M50NiL鋼磨削是在滲碳層上進行的，磨削余量約0.2 mm。M50NiL鋼滲碳后距表面0.2 mm處的硬度約為62.8HRC。磨削后測定的硬度梯度是滲碳層硬度與磨削表面變質層硬度疊加的結果。

磨削表面變質層的顯微硬度場如圖4所示。普通磨削和精密磨削兩類試樣表面的顯微硬度是任意五個點顯微硬度的平均值，分別為800HV和799HV，將其轉換成洛氏硬度約為64HRC，較磨削前提高1.2HRC。從磨削產生的表面硬化層深度來看，普通磨削和精密磨削產生的硬化層深度分別為100 μm和80 μm?？梢?，磨削會在試樣表面產生硬化層，硬化層深度與磨削工藝密切相關，減小進給量可明顯降低硬化層深度；磨削表面硬度可提高1.2HRC，兩種不同磨削工藝導致的硬度差異可以忽略不計。

表2 磨削表面應力集中系數KstTable 2 Grinding surface stress concentration factor Kst

采用電解剝層法測定表面變質層的殘余應力場，結果如圖5所示。圖5中近似水平線為滲碳狀態(tài)殘余應力，約為-81 MPa。比較可知，普通磨削和精密磨削產生的殘余應力場深度無明顯區(qū)別，均在20～30 μm范圍內；表面殘余應力均為壓應力，壓應力值分別為-281 MPa和-537 MPa。精密磨削明顯提高了表面殘余壓應力值。

用掃描電子顯微鏡觀察兩種工藝的表面變質層組織，結果如圖6所示。由圖6可見，除表面粗糙度引起的表面形貌差異外，其他無明顯區(qū)別。

用透射電子顯微鏡觀察磨削表面變質層組織，結果如圖7所示。分析表明，兩種磨削工藝產生的表面變質層均組織細小，類似于多晶，選區(qū)電子衍射呈環(huán)狀；普通磨削試樣的觀察區(qū)域內可見一定量的殘余奧氏體。

采用室溫旋轉彎曲疲勞(Kt=1)實驗，比較普通磨削和精密磨削兩類試樣在1300 MPa載荷下的疲勞壽命，結果如表3所示，平均疲勞壽命分別為4.5×104周次和6.8×105周次。精密磨削試樣的平均疲勞壽命提高約15倍。

表3 兩種試樣的旋彎疲勞壽命對比(Kt=1，σ =1300 MPa)Table 3 Comparison of rotating bending fatigue life of two kinds of specimens (Kt=1,σ=1300 MPa)

M50NiL鋼旋轉彎曲疲勞斷口全貌如圖8所示。普通磨削疲勞斷口屬于單源斷裂，疲勞源位于表面；精密磨削疲勞斷口也屬于單源斷裂，疲勞源位于亞表面。

圖9為疲勞源局部放大像，普通磨削疲勞起源于表面加工刀痕不連續(xù)處；精密磨削疲勞起源于亞表面夾雜物，呈“魚眼”狀[13]，即圖9(b)中黑色扇形區(qū)，夾雜物寬約10 μm，長約35 μm?？梢?，精密磨削將疲勞源遷至亞表面，改變了裂紋起始特征。

3 分析討論

旋轉彎曲疲勞試樣工作區(qū)直徑為D=7.5 mm，旋轉彎曲疲勞過程中應力沿深度方向呈線性變化，如圖10所示。由圖10可見，旋轉彎曲疲勞試樣表面載荷最大，疲勞起源于表面的可能性最大。由實驗得到的M50NiL滲碳鋼的硬度隨深度變化曲線如圖11所示。一般情況下,塑性變形導致的硬度升高可以提高構件的疲勞強度，且疲勞強度與硬度之間近似正比關系?？梢詫⒂捕戎诞斪鳠o量綱量，將其倒數作為影響應力的一個比例系數。

實驗數據表明，滲碳M50NiL鋼磨削表面層有一定的殘余壓應力。殘余壓應力能大大提高構件的疲勞強度，它通過改變表面層的應力狀態(tài)，與外加工作應力共同發(fā)揮作用[14]。殘余壓應力可以與外加應力直接疊加，成為作用到試樣上的應力。

另外，從兩種磨削工藝殘余應力場(如圖5所示)結果可以看出，磨削后試樣的表層有一定的殘余壓應力，深度在20～30 μm范圍內，再向試樣直至滲碳層深度1.2 mm之間近似為滲碳層殘余應力場，約為-81 MPa?；谝陨蠑祿?，可以將兩種工藝殘余應力場進行簡化，結果如圖12所示。

基于以上假設，得到滲碳M50NiL鋼旋轉彎曲疲勞試樣相對應力分布系數f0(h)，如式(2)所示。

(2)

式中：h為深度,σ(h)為外加應力分布；σr(h)為殘余應力分布；H(h)為硬度分布；n為比例系數。將各參量值代入式(2)，可以得到旋轉彎曲疲勞試樣上相對應力分布系數f0隨深度的變化關系，如圖13所示。由圖13可見，若只考慮硬度和殘余應力的影響，兩種工藝疲勞均應起源于亞表面，疲勞源深度分別為普通磨削28 μm和精密磨削27 μm。

另外，因表面粗糙度引起的表面應力集中系數Kst的差異也是影響疲勞起源的重要因素，加入Kst這一影響因素后，M50NiL滲碳鋼旋轉彎曲疲勞試樣相對應力分布系數f(h)表達式如式(3)所示。將各參量值代入式(3)，結果如圖14所示。

(3)

考慮到表面應力集中系數的影響后，普通磨削參量f的最大值從亞表面移至表面，若將f的7%波動范圍作為疲勞源可能位置，則疲勞只能在表面起源。只有當組織等其他因素差異非常大，超過7%時，疲勞源才有可能出現于亞表面。

精密磨削雖然也產生一定的表面應力集中系數，但f最大值仍位于亞表面27 μm處，疲勞起源于亞表面?？紤]到微觀組織的不均勻性，若將f的2%波動范圍作為疲勞源可能位置，則疲勞源位于亞表面15～112 μm范圍內。若將f的5%波動范圍作為疲勞源可能位置，則疲勞源位于亞表面10～228 μm范圍內。

由疲勞實驗結果可知，實測的疲勞源深度分別為122 μm，184 μm，112 μm，75 μm，30 μm，77 μm，405 μm，88 μm，共8例，其中在15～112 μm范圍起源5例，占62.5%；在10～228 μm范圍起源7例，占87.5%。

另外，疲勞源深度大于100 μm的四個試樣的平均壽命為3.885×105周次，而疲勞源最接近f最大值的一例為深度30 μm，壽命1.34×106周次，是疲勞源深度100 μm以上試樣平均壽命的3.45倍。可見，鋼中微觀組織的差異，如夾雜物的存在，導致局部產生一定的應力集中，降低疲勞壽命70%以上。

鋼中夾雜物的數量、尺寸、形態(tài)分布等各不相同，在現代技術條件下，完全去除鋼中的夾雜物是不可能的。實驗得到的疲勞源深度的分散性反映了鋼中的夾雜物水平。

4 結論

(1)精密磨削改善了試樣的表面完整性特征，主要表現在降低表面粗糙度、表面應力集中系數以及磨削產生的變質層厚度，增大表面殘余壓應力和改善表面變質層微觀組織等。

(2)在不考慮表面應力集中系數影響的情況下，滲碳M50NiL鋼普通磨削和精密磨削兩種工藝疲勞均起源于亞表面，疲勞源深度相同，為亞表面27～28 μm范圍內。

(3)機械加工產生的表面缺陷導致一定的表面應力集中。在此情況下，普通磨削相對應力分布系數f最大值位于表面，之后急劇降低，疲勞在表面起源的可能性很高；而精密磨削f最大值依舊位于亞表面27 μm處，是疲勞最有可能起源的位置。將相對應力5%波動范圍作為疲勞源可能位置，疲勞源位于亞表面10～228 μm范圍內。

(4)精密磨削通過改善表面變質層特征，有效抑制了加工表面應力集中敏感，將疲勞源從表面回歸亞表面，旋轉彎曲疲勞壽命最高提高30倍，平均提高15倍。

(5)鋼中微觀組織的差異，如夾雜物的存在，導致局部產生一定的應力集中，降低疲勞壽命70%以上。

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(責任編輯：徐永祥)

SurfaceIntegrityCharacteristicsandFatigueFailureMechanismofCarburizedM50NiLSteel

LOU Yanzhi, LI Chunzhi, LI Xudong, XIE Xiaochang, ZHAO Zhenye

(AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

The surface integrity of carburized M50NiL steel was studied by optical microscopy,scanning electron microscopy (SEM),atomic force microscopy (AFM),microhardness tester and residual stress tester.The fatigue properties of the two specimens were measured by the rotational bending fatigue test,and the fatigue test results were simulated and analyzed.The results show that the rotation bending fatigue of carburized M50NiL steel is originated in the sub-surface in the ideal case without considering the surface processing defects.The surface stress concentration factor produced by general grinding causes the fatigue source to be moved from the surface to the sub-surface.Precise grinding improves the surface quality by optimizing the grinding process,effectively restrains the stress concentration of the working surface,and returns the fatigue source from the surface to the sub-surface.The maximum rotary bending fatigue life can be increased by 30 times and the average is 15 times.

M50NiL steel;grinding;surface integrity;fatigue;failure mechanism

10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000127

V252.1；TG111.8

A

1005-5053(2017)06-0025-09

2017-07-18；

2017-09-26

973項目資助

婁艷芝(1974—)，女，博士，高級工程師，主要從事金屬材料工藝、組織及性能研究，(E-mail) louyanzhi2016@163.com。