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     軸承鋼主要用于制作支承齒輪、連桿等軸類傳動(dòng)件，在飛行器、汽車、航空設(shè)備等工程領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。軸類傳動(dòng)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(fù)的載荷作用。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。軸承在實(shí)際應(yīng)用中主要受到接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)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。研究人員對(duì)高碳鉻軸承鋼在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下承受彎曲力矩時(shí)的疲勞性能進(jìn)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(yàn)材料及方法

     試樣材料為SUJ2S1高碳鉻軸承鋼，其主要化學(xué)成分如表1所示。

      采用簡支梁旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 4337—2015《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 旋轉(zhuǎn)彎曲方法》的要求對(duì)圓棒試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試樣加工尺寸如圖1所示。在加工試樣時(shí)，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0.2μm。試驗(yàn)采用多點(diǎn)加力模式，試驗(yàn)溫度為室溫，轉(zhuǎn)速為3000r/min，判定標(biāo)準(zhǔn)為試樣斷裂或試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)達(dá)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(qiáng)度）-N（疲勞壽命）曲線。采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行斷口形貌觀察，采用能譜儀對(duì)疲勞斷口的夾雜物進(jìn)行分析。

2、試驗(yàn)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(qiáng)度和屈服強(qiáng)度來確定初始應(yīng)力強(qiáng)度，將初始應(yīng)力強(qiáng)度作為第1根試樣的加載應(yīng)力，若第1根試樣通過設(shè)定的循環(huán)次數(shù)（107 次）以20MPa作為應(yīng)力臺(tái)階，提高2根試樣的加載應(yīng)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(yīng)力，并繼續(xù)試驗(yàn)。疲勞極限σ如式（1）所示。

     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484MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為16.81MPa。

     根據(jù)疲勞極限計(jì)算結(jié)果，繪制SUJ2S1高碳鉻軸承鋼疲勞試驗(yàn)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(dāng)設(shè)定應(yīng)力為460MPa時(shí)，試樣循環(huán)次數(shù)為107次，即試樣均為通過狀態(tài)；當(dāng)設(shè)定應(yīng)力為520MPa時(shí)，試樣均發(fā)生斷裂。

2.2 試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞S-N曲線

     S-N曲線是以材料標(biāo)準(zhǔn)試樣疲勞強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，疲勞壽命為橫坐標(biāo)，表示一定循環(huán)特征下標(biāo)準(zhǔn)試樣的疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命之間關(guān)系的曲線，也稱應(yīng)力-壽命曲線。根據(jù)軸承鋼在載荷條件下的應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)曲線和S-N曲線，可以計(jì)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(yīng)力-循環(huán)次數(shù)曲線相對(duì)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(dá)到設(shè)計(jì)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(bǔ)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(chǔ)，預(yù)測零部件的設(shè)計(jì)壽命。

2.3 試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口分析

     用掃描電鏡對(duì)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口進(jìn)行觀察，分析疲勞斷裂的原因。大量研究表明，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(jī)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(yàn)鋼的均勻性，產(chǎn)生了應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中處產(chǎn)生疲勞源，最終導(dǎo)致高碳鉻軸承鋼發(fā)生疲勞斷裂；裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌呈典型的河流、臺(tái)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。

     對(duì)試驗(yàn)鋼中的非金屬夾雜物進(jìn)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。

3、結(jié)論

   （1）試驗(yàn)鋼疲勞斷裂的原因?yàn)樵嚇颖砻娲嬖跈C(jī)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458MPa，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(shí)的疲勞極限為300MPa，補(bǔ)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(chǔ)。

作者：崔少璞，孫曉冉，宋月，趙楠，王程明，趙中昱

單位：河鋼材料技術(shù)研究院

來源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2024年第7期