,,
(上海市軸承技術(shù)研究所,上海 201801)
軸承是重要的關(guān)鍵零件,被稱為“高端裝備的關(guān)節(jié)”,廣泛應(yīng)用于礦山機械、精密機床、冶金設(shè)備、重型裝備和高檔轎車等裝備領(lǐng)域,以及風(fēng)力發(fā)電、高鐵動車和航空航天等新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域[1-3]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,軸承的服役環(huán)境越來越苛刻,對軸承使用性能的要求越來越高;軸承性能的高低在很大程度上影響著機械裝備的使用壽命。軸承的失效形式主要有斷裂、磨損和腐蝕等3種,其中疲勞斷裂是最常見的一種失效形式[4]。軸承在工作時承受著循環(huán)接觸疲勞應(yīng)力、高接觸應(yīng)力以及滑動磨損的作用,這就要求軸承具有較高的抗塑性變形和抗摩擦磨損能力[5-6]。桿端關(guān)節(jié)軸承是帶有桿端或裝于桿端的關(guān)節(jié)軸承,一般用于速度較低的擺動運動。目前,有關(guān)桿端關(guān)節(jié)軸承的研究主要集中在其摩擦磨損性能方面。研究人員[7-8]對采用尼龍、聚四氟乙烯、銅基粉末冶金和青銅等4種墊層材料的自潤滑桿端關(guān)節(jié)軸承的摩擦性能進行了研究,分析了不同擺動頻率下桿端關(guān)節(jié)軸承的摩擦因數(shù)、線磨損量和摩擦溫度的變化規(guī)律,結(jié)果表明以聚四氟乙烯為墊層材料的軸承的摩擦性能最佳。疲勞性能是桿端關(guān)節(jié)軸承桿端體的一項重要指標,由于桿端體疲勞斷裂的時間離散度較大,因此需要對其疲勞斷裂機制進行研究。但是目前,有關(guān)桿端關(guān)節(jié)軸承桿端體疲勞性能的研究鮮有報道。為此,作者采用PA-100型電液伺服動靜試驗機對桿端關(guān)節(jié)軸承進行疲勞試驗,研究了其桿端體的疲勞性能并分析了其疲勞斷裂機制。
桿端關(guān)節(jié)軸承由桿端體和關(guān)節(jié)軸承組成。桿端體和關(guān)節(jié)軸承外圈的材料均為17-4PH沉淀硬化馬氏體不銹鋼,關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈的材料為G95Cr18高碳高鉻馬氏體不銹鋼,二者的化學(xué)成分見表1。內(nèi)圈球面噴涂陶瓷層,總厚度(含過渡層)為0.20~0.25 mm。桿端體熱處理后的硬度在35~42 HRC,抗拉強度不小于1 069 MPa,屈服強度不小于1 000 MPa,斷后伸長率不小于12%。桿端體與關(guān)節(jié)軸承的裝配方式為溫差裝配,過盈量為7 μm。
表1 17-4PH和G95Cr18不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical composition of 17-4PH and G95Cr18 stainless steels (mass) %
圖2 疲勞斷裂后桿端關(guān)節(jié)軸承、桿端體及不同位置斷口的宏觀形貌Fig.2 Macromorphology of rod end joint bearing (a), rod end body (b) and fracture at different positions (c-d) after fatigue fracture:(a) fracture at position A and (b) fracture at position B
在PA-100型電液伺服動靜試驗機上對桿端關(guān)節(jié)軸承進行疲勞試驗,采用整體加載方式,如圖1所示,兩端夾具(試驗加載工裝)保證桿端關(guān)節(jié)軸承能夠承受拉壓載荷。整個疲勞試驗分為3個階段:第1階段,施加拉壓載荷P,其中靜載荷為3 000 N,動載荷為9 600 N,動載荷以正弦波方式加載,頻率為3 Hz,加載循環(huán)次數(shù)為100萬次,試驗結(jié)束后,經(jīng)檢驗確定軸承未破損;第2階段,保持靜載荷不變,動載荷按第1階段的20%幅度升級,循環(huán)加載100萬次,軸承仍未破損;第3階段,繼續(xù)加載80萬次,即總循環(huán)次數(shù)為280萬次,此時桿端體發(fā)生斷裂。
圖1 試驗加載方式Fig.1 Mode of the test loading
用超聲波清洗機將斷口清洗干凈,觀察斷口宏觀形貌,確定裂紋源。使用EVO18型掃描電鏡(SEM)觀察斷口及斷口側(cè)表面的微觀形貌,用附帶的能譜儀(EDS)進行微區(qū)成分分析。在斷口裂紋源的縱截面以及裂紋源附近桿端體環(huán)上取樣,經(jīng)研磨、拋光,用苦味酸腐蝕后,利用DMI5000M型光學(xué)顯微鏡(OM)觀察顯微組織。使用HV-110A型硬度計對桿端體和軸承外圈進行硬度測試,載荷為300 N。
由圖2可見:桿端體在2個位置(A和B)發(fā)生斷裂,位置A位于環(huán)與桿的過渡區(qū)域,位置B位于另一側(cè)與桿成45°方向的環(huán)上;整個桿端體無明顯塑性變形,兩斷口均較為平齊,斷口表面干凈,呈灰色;位置A處斷口的裂紋源靠近桿端體的外表面,裂紋源略粗糙,裂紋擴展區(qū)可見清晰的放射棱線,如圖2(c)中虛線所示;位置B處斷口存在2個裂紋源(1#和2#),均靠近桿端體內(nèi)表面,裂紋源平坦、細膩,裂紋擴展區(qū)可見明顯的疲勞弧線。
由圖3可見:在位置A處斷口裂紋源附近的桿端體外表面無明顯磕碰傷,表面干凈;在位置B處斷口裂紋源附近的桿端體內(nèi)表面可見明顯的磨損、碾壓特征,且在磨損較嚴重區(qū)域存在微裂紋(箭頭所指);與位置B處桿端體配合的關(guān)節(jié)軸承外圈外表面同樣可見清晰的磨損、碾壓特征;位置B處桿端體內(nèi)表面和關(guān)節(jié)軸承外圈外表面的磨損區(qū)域呈現(xiàn)兩端寬、中間窄的現(xiàn)象,磨損區(qū)域上端呈紅棕色,這是微動磨損的特征。
圖3 位置A處桿端體外表面形貌、位置B處桿端體內(nèi)表面形貌以及位置B處關(guān)節(jié)軸承外圈外表面形貌Fig.3 Outer face morphology of rod end body at position A (a), inner face morphology of rod end body at position B (b) andouter face morphology of outer ring of joint bearing at position B (c)
圖4 桿端體位置A處斷口不同區(qū)域的微觀形貌Fig.4 Micromorphology of different areas on fracture at position A of rod end body: (a) fracture morphology at low magnification;(b) crack source; (c) crack propagation area and (d) fast fracture area
由圖4可見:位置A處斷口裂紋源位于桿端體外表面,為點源,存在明顯磨損、碾壓痕跡;斷口可見放射棱線(如圖中虛線所示),裂紋擴展區(qū)可見疲勞輝紋,瞬斷區(qū)為韌窩形貌。
由圖5可見:位置B處斷口的2個裂紋源均可見明顯的碾壓痕跡,裂紋擴展區(qū)可見疲勞輝紋和準解理特征,瞬斷區(qū)為韌窩形貌。與位置A處斷口相比,位置B處斷口較平整,裂紋源磨損程度較嚴重,推斷位置B處早于位置A處開裂。
由圖6可見:位置B處斷口的1#和2#裂紋源附近的桿端體內(nèi)表面有明顯磨損、碾壓特征,a和b區(qū)域(圓圈所示)的磨損較嚴重,存在微裂紋;與1#裂紋源附近的相比,2#裂紋源附近桿端體內(nèi)表面的微裂紋較少,裂紋擴展程度較輕。
對桿端體內(nèi)表面及與其配合的關(guān)節(jié)軸承外圈外表面的磨損程度進行分析后可知,在桿端體的下半環(huán),與桿成約45°方向的磨損較嚴重,磨損寬度約為3 mm。桿端體在試驗過程中主要受拉壓載荷作用,在兩個配合面之間會存在振幅微小的相對振動,使兩配合面之間發(fā)生相對位移。位置A處斷口位于桿端體截面急劇變化的位置,在截面劇變處的應(yīng)力會高于平均應(yīng)力,出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象;位置A處斷口桿端體外表面受拉應(yīng)力的作用。位置B處斷口位于與桿成45°方向的位置,此處為兩配合面磨損最嚴重的區(qū)域;位置B處斷口桿端體內(nèi)表面受拉應(yīng)力的作用。
圖5 桿端體位置B處斷口不同區(qū)域的微觀形貌Fig.5 Micromorphology of different areas on fracture at position B of rod end body: (a) fracture morphology near 1# crack source at low magnification; (b) 1# crack source; (c) fracture morphology near 2# crack source at low magnification; (d) 2# crack source; (e) crack propagation area and (f) fast fracture area
圖6 位置B處斷口裂紋源附近桿端體內(nèi)表面的微觀形貌Fig.6 Inner face micromorphology of rod end body near crack source at position B: (a) near 1# crack source;(b) enlarged view of region a; (c) near 2# crack source and (d) enlarged view of region b
結(jié)合圖4(b)、圖5(b)、圖7和表2分析可知:位置A處斷口裂紋源的氧含量較低,氧化程度較輕;位置B處斷口裂紋源及其附近桿端體內(nèi)表面的氧含量較高,氧化程度較嚴重,裂紋源附近桿端體內(nèi)表面存在大量氧化物,由此可推斷,位置B處桿端體內(nèi)表面和關(guān)節(jié)軸承外圈外表面宏觀呈現(xiàn)的紅棕色為氧化特征。位置B處斷口裂紋源及其附近桿端體內(nèi)表表面的氧化程度較嚴重,可知位置B處先于位置A處開裂。
圖7 位置B處斷口裂紋源附近桿端體內(nèi)表面形貌及EDS分析位置Fig.7 Inner face morphology and EDS analysis position of rodend body near crack source on fracture at position B
Table2EDSanalysisresultsofcracksourceonfracture(positionsshowninFig.4[b]andFig.5[b])andinnerfaceofrodendbody(positionshowninFig.7) (mass)
由圖8可見:位置A處斷口裂紋源和位置B處斷口1#裂紋源處縱截面的顯微組織均勻,均未發(fā)現(xiàn)冶金缺陷,但位置B處斷口1#裂紋源縱截面上存在明顯的金屬流變、折疊現(xiàn)象,如圖8(b)中箭頭所指;在金屬流變較嚴重的區(qū)域存在3條微裂紋,裂紋沿桿端體內(nèi)表面向內(nèi)部擴展,其中有2條微裂紋擴展到一定程度后,交匯成一條裂紋向桿端體內(nèi)部擴展,擴展深度約為200 μm;桿端體的顯微組織為回火馬氏體+碳化物,組織均勻,未發(fā)現(xiàn)冶金缺陷。
由表3可見:桿端體的平均硬度為37.3 HRC,符合技術(shù)指標要求(35~42 HRC);關(guān)節(jié)軸承外圈的平均硬度為34.5 HRC。
圖8 位置A處斷口裂紋源和位置B處斷口1#裂紋源縱截面顯微組織以及桿端體的顯微組織Fig.8 Cross sectional microstructures of crack source on fracture at position A (a) and of 1# crack source on fractureat position B (b) and microstructure of rod end body (c)
該桿端關(guān)節(jié)軸承在循環(huán)加載280萬次時其桿端體分別在位置A和位置B處發(fā)生斷裂,斷裂位置未見明顯塑性變形;位置A處和位置B處斷口均較為平齊,裂紋擴展區(qū)可見疲勞輝紋,兩斷口均為疲勞斷裂。位置A處斷口裂紋源位于桿端體外表面,未見明顯磕碰痕跡;裂紋源處縱截面顯微組織均勻,未見冶金缺陷。位置B處斷口裂紋源靠近桿端體內(nèi)表面,該斷口比位置A處斷口平整,磨損程度比位置A處斷口嚴重,位置B處斷口側(cè)表面存在微裂紋。由此可以判斷,位置B處早于位置A處萌生裂紋。位置A位于桿端體環(huán)與桿的過渡區(qū)域,由于該位置為桿端體結(jié)構(gòu)設(shè)計的薄弱區(qū)域,推測其斷裂是由于位置B處的斷裂使位置A處的受力方向發(fā)生改變,使桿端體發(fā)生傾斜而導(dǎo)致的。
位置B處斷口裂紋源附近桿端體內(nèi)表面及與其配合的關(guān)節(jié)軸承外圈外表面均存在嚴重的磨損、碾壓痕跡,有氧化特征,呈紅棕色,可以確定桿端體與外圈發(fā)生了微動磨損。微動磨損引起表面金屬的塑性變形,在微動的反復(fù)切應(yīng)力作用下,亞表面萌生裂紋。仔細觀察可發(fā)現(xiàn),在桿端體磨損嚴重區(qū)域的多處位置存在微裂紋,且長短不一,同時伴隨著黏著磨損。在拉壓載荷的作用下微裂紋向內(nèi)部擴展,最終導(dǎo)致桿端體在位置B處發(fā)生斷裂。
(1) 桿端體分別在其桿的兩側(cè),即環(huán)與桿的過渡區(qū)域(位置A)以及與桿成45°方向的環(huán)上(位置B)發(fā)生疲勞斷裂;位置B處斷口裂紋源及其附近桿端體內(nèi)表面的氧化程度比位置A處斷口的嚴重,因此位置B處先于位置A處發(fā)生開裂。
(2) 桿端體環(huán)的內(nèi)表面與關(guān)節(jié)軸承外圈的外表面之間存在嚴重的微動磨損,導(dǎo)致裂紋萌生;位置B處的磨損最嚴重,同時伴隨著黏著磨損,在拉壓交變載荷作用下,位置B處的微裂紋首先擴展并導(dǎo)致斷裂;位置B處的斷裂使位置A處的受力方向發(fā)生改變,桿端體發(fā)生傾斜導(dǎo)致位置A處開裂和桿端體的最終斷裂。