分享：高碳铬轴承钢的旋转弯曲疲劳性能

轴承钢主要用于制作支承齿轮、连杆等轴类传动件,在飞行器、汽车、航空设备等工程领域中应用广泛。轴类传动件的作用是传递扭矩或弯矩,轴承钢在轴类零件中受到重复的载荷作用[1]。将循环周次超过107次的疲劳行为称为超长寿命疲劳,也称高周疲劳[2]。轴承在实际应用中主要受到接触应力和弯曲应力,接触疲劳失效的主要形式是剥落,旋转弯曲疲劳失效的形式主要是疲劳开裂和断裂。笔者对高碳铬轴承钢在旋转状态下承受弯曲力矩时的疲劳性能进行研究,以期为提高轴承钢的疲劳性能提供理论支撑。 

1.   试验材料及方法

试样材料为SUJ2S1高碳铬轴承钢,其主要化学成分如表1所示。 

采用简支梁旋转弯曲疲劳试验机,按照GB/T 4337—2015《金属材料 疲劳试验 旋转弯曲方法》的要求对圆棒试样进行疲劳试验,试样加工尺寸如图1所示。在加工试样时,要确保试样不出现任何圆周方向上的划痕,试样表面粗糙度小于0.2 μm。试验采用多点加力模式,试验温度为室温,转速为3 000 r/min,判定标准为试样断裂或试验循环次数达到107次。采用升降法和成组法得出高碳铬轴承钢疲劳极限和S（疲劳强度）-N（疲劳寿命）曲线。采用场发射扫描电子显微镜（SEM）进行断口形貌观察,采用能谱仪对疲劳断口的夹杂物进行分析。 

图  1  疲劳试样尺寸示意

2.   试验结果与分析

2.1   升降法测试疲劳极限

采用升降法测试材料的疲劳极限。根据钢种的抗拉强度和屈服强度来确定初始应力强度,将初始应力强度作为第1根试样的加载应力,若第1根试样通过设定的循环次数（107次）以20 MPa作为应力台阶,提高第2根试样的加载应力,若第2根试样在107循环次数前断裂,则降低第3根试样加载应力,并继续试验。疲劳极限σ如式（1）所示。 

式中：a为有效试样总个数；ai为第 i 个试样所处的应力,i=1,2,3,…,a。 

根据式（1）可以得出室温下SUJ2S1高碳铬轴承钢的疲劳极限为484 MPa,标准差为16.81 MPa。 

根据疲劳极限计算结果,绘制SUJ2S1高碳铬轴承钢疲劳试验升降图,结果如图2所示,其中“×”表示试样断裂,“○”表示通过。由图2可知：当设定应力为460 MPa时,试样循环次数为107次,即试样均为通过状态；当设定应力为520 MPa时,试样均发生断裂。 

图  2  SUJ2S1高碳铬轴承钢疲劳试验升降图

2.2   试样旋转弯曲疲劳S-N曲线

S-N曲线是以材料标准试样疲劳强度为纵坐标,疲劳寿命为横坐标,表示一定循环特征下标准试样的疲劳强度与疲劳寿命之间关系的曲线,也称应力-寿命曲线。根据轴承钢在载荷条件下的应力-循环次数曲线和S-N曲线,可以计算出轴承钢的安全系数、损伤率和疲劳寿命。根据轴承钢应力-循环次数曲线相对S-N曲线的位置,可以直观判断轴承材料选取的好坏以及疲劳寿命是否达到设计要求。图3a）为SUJ2S1高碳铬轴承钢的S-N曲线,存活率（P）为90%的P-S-N曲线如图3b）所示,补充了轴承钢疲劳数据不足的问题,为汽车厂疲劳仿真分析提供可靠的数据基础,预测零部件的设计寿命。 

图  3  SUJ2S1高碳铬轴承钢的S-N曲线及P-S-N曲线

2.3   试样旋转弯曲疲劳断口分析

用扫描电镜对旋转弯曲疲劳断口进行观察,分析疲劳断裂的原因。大量研究表明[3],疲劳裂纹的起源主要来自于内部的非金属夹杂物和表面缺陷。 

SUJ2S1钢断口的SEM形貌如图4所示。由图4可知：高碳铬轴承钢疲劳裂纹有两种裂纹源,一种起裂于试样表面,主要是在机械加工过程中产生的,裂纹源起始于试样表面的磨损和车削划痕；另一种裂纹源起裂于试样表面的非金属夹杂物,夹杂物破坏了试验钢的均匀性,产生了应力集中,在应力集中处产生疲劳源,最终导致高碳铬轴承钢发生疲劳断裂；裂纹扩展区形貌呈典型的河流、台阶状,为解理断裂特征形貌,存在撕裂纹形貌；瞬断区可见韧窝,为韧性断裂特征形貌。 

图  4  SUJ2S1钢的疲劳断口SEM形貌

对试验钢中的非金属夹杂物进行能谱分析,结果如图5所示。由图5可知：夹杂物主要为Al2O3。 

图  5  非金属夹杂物能谱分析结果

3.   结论

（1）试验钢疲劳断裂的原因为试样表面存在机械加工缺陷和Al2O3夹杂物。 

（2）绘制了高碳铬轴承钢的升降图和S-N曲线,得出材料的疲劳极限为458 MPa,综合性能优异。绘制了高碳铬轴承钢的P-S-N曲线,得到了材料90％存活率时的疲劳极限为300 MPa,补充了轴承钢疲劳数据不足的问题,为汽车厂轴承疲劳仿真分析提供可靠的数据基础。 

文章来源——材料与测试网