軸承鋼主要用于制作支承齒輪、連桿等軸類傳動件,在飛行器、汽車、航空設備等工程領域中應用廣泛。軸類傳動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的載荷作用[1]。將循環周次超過107次的疲勞行為稱為超長壽命疲勞,也稱高周疲勞[2]。軸承在實際應用中主要受到接觸應力和彎曲應力,接觸疲勞失效的主要形式是剝落,旋轉彎曲疲勞失效的形式主要是疲勞開裂和斷裂。筆者對高碳鉻軸承鋼在旋轉狀態下承受彎曲力矩時的疲勞性能進行研究,以期為提高軸承鋼的疲勞性能提供理論支撐。 

1.   試驗材料及方法

試樣材料為SUJ2S1高碳鉻軸承鋼,其主要化學成分如表1所示。 

采用簡支梁旋轉彎曲疲勞試驗機,按照GB/T 4337—2015《金屬材料 疲勞試驗 旋轉彎曲方法》的要求對圓棒試樣進行疲勞試驗,試樣加工尺寸如圖1所示。在加工試樣時,要確保試樣不出現任何圓周方向上的劃痕,試樣表面粗糙度小于0.2 μm。試驗采用多點加力模式,試驗溫度為室溫,轉速為3 000 r/min,判定標準為試樣斷裂或試驗循環次數達到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（疲勞強度）-N（疲勞壽命）曲線。采用場發射掃描電子顯微鏡（SEM）進行斷口形貌觀察,采用能譜儀對疲勞斷口的夾雜物進行分析。 

圖  1  疲勞試樣尺寸示意

2.   試驗結果與分析

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。根據鋼種的抗拉強度和屈服強度來確定初始應力強度,將初始應力強度作為第1根試樣的加載應力,若第1根試樣通過設定的循環次數（107次）以20 MPa作為應力臺階,提高第2根試樣的加載應力,若第2根試樣在107循環次數前斷裂,則降低第3根試樣加載應力,并繼續試驗。疲勞極限σ如式（1）所示。 

式中：a為有效試樣總個數；ai為第 i 個試樣所處的應力,i=1,2,3,…,a。 

根據式（1）可以得出室溫下SUJ2S1高碳鉻軸承鋼的疲勞極限為484 MPa,標準差為16.81 MPa。 

根據疲勞極限計算結果,繪制SUJ2S1高碳鉻軸承鋼疲勞試驗升降圖,結果如圖2所示,其中“×”表示試樣斷裂,“○”表示通過。由圖2可知：當設定應力為460 MPa時,試樣循環次數為107次,即試樣均為通過狀態；當設定應力為520 MPa時,試樣均發生斷裂。 

圖  2  SUJ2S1高碳鉻軸承鋼疲勞試驗升降圖

2.2   試樣旋轉彎曲疲勞S-N曲線

S-N曲線是以材料標準試樣疲勞強度為縱坐標,疲勞壽命為橫坐標,表示一定循環特征下標準試樣的疲勞強度與疲勞壽命之間關系的曲線,也稱應力-壽命曲線。根據軸承鋼在載荷條件下的應力-循環次數曲線和S-N曲線,可以計算出軸承鋼的安全系數、損傷率和疲勞壽命。根據軸承鋼應力-循環次數曲線相對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到設計要求。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,補充了軸承鋼疲勞數據不足的問題,為汽車廠疲勞仿真分析提供可靠的數據基礎,預測零部件的設計壽命。 

圖  3  SUJ2S1高碳鉻軸承鋼的S-N曲線及P-S-N曲線

2.3   試樣旋轉彎曲疲勞斷口分析

用掃描電鏡對旋轉彎曲疲勞斷口進行觀察,分析疲勞斷裂的原因。大量研究表明[3],疲勞裂紋的起源主要來自于內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,主要是在機械加工過程中產生的,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,夾雜物破壞了試驗鋼的均勻性,產生了應力集中,在應力集中處產生疲勞源,最終導致高碳鉻軸承鋼發生疲勞斷裂；裂紋擴展區形貌呈典型的河流、臺階狀,為解理斷裂特征形貌,存在撕裂紋形貌；瞬斷區可見韌窩,為韌性斷裂特征形貌。 

圖  4  SUJ2S1鋼的疲勞斷口SEM形貌

對試驗鋼中的非金屬夾雜物進行能譜分析,結果如圖5所示。由圖5可知：夾雜物主要為Al2O3。 

圖  5  非金屬夾雜物能譜分析結果

3.   結論

（1）試驗鋼疲勞斷裂的原因為試樣表面存在機械加工缺陷和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458 MPa,綜合性能優異。繪制了高碳鉻軸承鋼的P-S-N曲線,得到了材料90％存活率時的疲勞極限為300 MPa,補充了軸承鋼疲勞數據不足的問題,為汽車廠軸承疲勞仿真分析提供可靠的數據基礎。 

文章來源——材料與測試網