試樣表面劃痕對接觸疲勞試驗結果的影響

欒景燕，楊明亮，安浩俊

（中航工業哈爾濱軸承有限公司 研發中心，哈爾濱 150000）

在接觸疲勞試驗過程中，由于試樣在終加工及檢測時工作表面易產生劃傷、壓印等缺陷，產生應力集中，成為疲勞裂紋源，導致早期疲勞破損而使壽命顯著降低。因此，其試驗壽命不能反映材料因素對接觸疲勞壽命的影響及規律性。在研究材料、工藝等單因素對疲勞壽命影響的試驗過程中，會影響試驗數據的準確性、可靠性和應用價值。

為此，研究GCr15軸承鋼試樣表面缺陷（劃痕）對接觸疲勞壽命的影響規律，并提示試驗相關人員在試驗前應對試樣表面缺陷嚴格檢查和控制，以確保試驗結果準確、可靠。

1 試驗

1.1 試樣

用GCr15軸承鋼加工成推力片試樣（圖1），經正常熱處理淬回火和終加工后，試樣硬度為63.5～64.5 HRC，表面粗糙度Ra為0.08μm。

圖1 推力片試樣Fig.1 Thrust piece sample

為保證試樣表面缺陷的一致性，采用模擬法［1］制作不同的劃痕試樣，如圖2所示。洛氏硬度金剛石壓頭圓錐角為120°，錐頂圓弧半徑r為0.2 mm，根據劃痕寬度B計算其深度t

圖2 試樣表面制備劃痕示意圖Fig.2 Sketch of the preparation of sample surface scratch

利用洛氏硬度金剛石壓頭在不同載荷作用下制備了不同寬度及深度的劃痕，劃痕與滾動方向夾角分別為 0，45°，90°，試樣共分 5組，每組 15件，試樣的劃痕尺寸和方向見表1。

表1 劃痕的尺寸和方向Tab.1 Size and direction of surface scratch

1.2 試驗方法

試驗在TLP接觸疲勞試驗機上進行，其工作原理（圖3）與推力球軸承相似，僅推力球軸承的座圈被平面試樣所代替。當推力球軸承旋轉時，在保持架內的鋼球圍繞主軸軸線沿緊圈溝道面進行自轉和公轉，模擬推力球軸承的工作條件進行接觸疲勞試驗。

圖3 試驗原理圖Fig.3 Test principle diagram

在同一應力水平下，采用交叉試驗法［2］進行試驗。試驗接觸應力為420 kg／mm2，試驗機轉速為2 050 r／min，用20＃機械油循環潤滑。試驗過程中，試樣平均溫度小于50℃。各種劃痕試樣全部運轉至疲勞剝落［3］為止，然后用二參數Weibull分布［4］和最大似然估計法處理試驗數據。

1.3 試驗結果

不同劃痕試樣的接觸疲勞試驗結果如表2和圖4所示。

圖4 不同劃痕試樣疲勞壽命分布的P-N曲線Fig.4 P-N curves of fatigue life distribution of differernt scratch samples

對比表2中1＃和2＃試樣數據可以看出，當劃痕方向與滾動方向成90°時，2＃試樣的3種壽命比1＃試樣的低。由此可見，接觸疲勞壽命隨著表面劃痕的加深而降低；對比2＃～4＃試樣數據可以看出，當劃痕深度相同（6μm）時，4＃試樣壽命最高，2＃試樣壽命最低。由此可見，劃痕方向對接觸疲勞的影響較為顯著，隨著與滾動方向夾角的增大，壽命急劇下降。與滾動方向垂直的劃痕對疲勞性能的危害最為嚴重，在試驗中必須嚴格控制。

表2 不同劃痕試樣的接觸疲勞壽命Tab.2 Contact fatigue life of different scratch test samples

2 結果分析

疲勞試樣的宏觀照片如圖5所示。由圖可知，疲勞部位發生在鋼球運動前進方向。試樣劃痕一側，由于表面損傷引起滾動接觸金屬表面發生顯微裂紋，屬于表面起源型疲勞。

圖5 疲勞破損試樣的宏觀形貌Fig.5 Macroscopic morphology of fatigue damaged samples

疲勞部位如圖6所示。由圖可知，鋼球反復經過劃痕處，劃痕兩側由于較大的塑性變形而使劃痕變得平坦：其中背離滾動方向一側（簡稱劃痕左側）接近輾平，而沿滾動方向一側（簡稱劃痕右側）則形成有微凸的鼓包。

圖6 疲勞部位示意圖Fig.6 Sketch diagram of fatigue site

疲勞裂紋從劃痕右側產生，并與滾動方向成一小傾角，沿鋼球滾動方向擴展，擴展到一定長度，裂紋轉向沿近似平行于表面的方向擴展。這是由于在制作劃痕時，由于金屬塑性變形，在劃痕兩側形成凸起。當鋼球通過時，在壓應力作用下，劃痕左側附近金屬易沿劃痕方向產生塑性流動，逐漸輾成很小的傾斜面，該處在變形過程中主要受壓應力；當鋼球跨越劃痕與右側面接觸滾動時，凸峰金屬受切向力和壓應力的作用，使其發生向前塑性流動，劃痕右側面下部金屬受拉應力和壓應力。由于該處金屬塑性流動比左側困難，凸峰受高壓變形，而表層內的金屬受到反復拉應力和切應力的作用而形成疲勞裂紋，并沿運動方向擴展至疲勞破壞。由于與滾動方向垂直的劃痕側面受到的拉應力和切應力要比其他2個方向的大，故疲勞壽命顯著下降。

試驗中還發現，在表面劃痕較淺，對疲勞壽命的影響減輕，當劃痕深度為3μm、寬度為70μm時，其中有部分試樣的疲勞點沒有出現在劃痕缺陷部位。

3 結論

表面劃痕的形貌對接觸疲勞壽命有不同程度的影響，主要表現在接觸疲勞壽命隨表面劃痕的加深而降低；隨劃痕與滾動方向夾角的增大而急劇下降。當劃痕的深度和寬度小于一定尺寸時，劃痕對接觸疲勞性能無明顯影響。