桿端關節軸承桿端體的疲勞斷裂機制

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(上海市軸承技術研究所，上海 201801)

0 引 言

軸承是重要的關鍵零件，被稱為“高端裝備的關節”，廣泛應用于礦山機械、精密機床、冶金設備、重型裝備和高檔轎車等裝備領域，以及風力發電、高鐵動車和航空航天等新興產業領域[1-3]。隨著科學技術的發展，軸承的服役環境越來越苛刻，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接觸疲勞應力、高接觸應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]。桿端關節軸承是帶有桿端或裝于桿端的關節軸承，一般用于速度較低的擺動運動。目前，有關桿端關節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節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節軸承的摩擦因數、線磨損量和摩擦溫度的變化規律，結果表明以聚四氟乙烯為墊層材料的軸承的摩擦性能最佳。疲勞性能是桿端關節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，有關桿端關節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節軸承進行疲勞試驗，研究了其桿端體的疲勞性能并分析了其疲勞斷裂機制。

1 試樣制備與試驗方法

桿端關節軸承由桿端體和關節軸承組成。桿端體和關節軸承外圈的材料均為17-4PH沉淀硬化馬氏體不銹鋼，關節軸承內圈的材料為G95Cr18高碳高鉻馬氏體不銹鋼，二者的化學成分見表1。內圈球面噴涂陶瓷層，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%。桿端體與關節軸承的裝配方式為溫差裝配，過盈量為7 μm。

表1 17-4PH和G95Cr18不銹鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of 17-4PH and G95Cr18 stainless steels (mass) %

圖2 疲勞斷裂后桿端關節軸承、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節軸承進行疲勞試驗，采用整體加載方式，如圖1所示，兩端夾具(試驗加載工裝)保證桿端關節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，加載循環次數為100萬次，試驗結束后，經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，循環加載100萬次，軸承仍未破損；第3階段，繼續加載80萬次，即總循環次數為280萬次，此時桿端體發生斷裂。

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)觀察斷口及斷口側表面的微觀形貌，用附帶的能譜儀(EDS)進行微區成分分析。在斷口裂紋源的縱截面以及裂紋源附近桿端體環上取樣，經研磨、拋光，用苦味酸腐蝕后，利用DMI5000M型光學顯微鏡(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。

2 試驗結果與討論

2.1 宏觀形貌

由圖2可見：桿端體在2個位置(A和B)發生斷裂，位置A位于環與桿的過渡區域，位置B位于另一側與桿成45°方向的環上；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#)，均靠近桿端體內表面，裂紋源平坦、細膩，裂紋擴展區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表面可見明顯的磨損、碾壓特征，且在磨損較嚴重區域存在微裂紋(箭頭所指)；與位置B處桿端體配合的關節軸承外圈外表面同樣可見清晰的磨損、碾壓特征；位置B處桿端體內表面和關節軸承外圈外表面的磨損區域呈現兩端寬、中間窄的現象，磨損區域上端呈紅棕色，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處桿端體內表面形貌以及位置B處關節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

2.2 斷口微觀形貌及微區成分

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)，裂紋擴展區可見疲勞輝紋，瞬斷區為韌窩形貌。

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，裂紋擴展區可見疲勞輝紋和準解理特征，瞬斷區為韌窩形貌。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表面有明顯磨損、碾壓特征，a和b區域(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表面的微裂紋較少，裂紋擴展程度較輕。

對桿端體內表面及與其配合的關節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，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，在截面劇變處的應力會高于平均應力，出現應力集中現象；位置A處斷口桿端體外表面受拉應力的作用。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域；位置B處斷口桿端體內表面受拉應力的作用。

圖5 桿端體位置B處斷口不同區域的微觀形貌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表面的氧含量較高，氧化程度較嚴重，裂紋源附近桿端體內表面存在大量氧化物，由此可推斷，位置B處桿端體內表面和關節軸承外圈外表面宏觀呈現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)

2.3 顯微組織

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，均未發現冶金缺陷，但位置B處斷口1#裂紋源縱截面上存在明顯的金屬流變、折疊現象，如圖8(b)中箭頭所指；在金屬流變較嚴重的區域存在3條微裂紋，裂紋沿桿端體內表面向內部擴展，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，未發現冶金缺陷。

2.4 硬 度

由表3可見：桿端體的平均硬度為37.3 HRC，符合技術指標要求(35～42 HRC)；關節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)

2.5 分析與討論

該桿端關節軸承在循環加載280萬次時其桿端體分別在位置A和位置B處發生斷裂，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位于桿端體環與桿的過渡區域，由于該位置為桿端體結構設計的薄弱區域，推測其斷裂是由于位置B處的斷裂使位置A處的受力方向發生改變，使桿端體發生傾斜而導致的。

位置B處斷口裂紋源附近桿端體內表面及與其配合的關節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，在微動的反復切應力作用下，亞表面萌生裂紋。仔細觀察可發現，在桿端體磨損嚴重區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部擴展，最終導致桿端體在位置B處發生斷裂。

3 結 論

(1) 桿端體分別在其桿的兩側，即環與桿的過渡區域(位置A)以及與桿成45°方向的環上(位置B)發生疲勞斷裂；位置B處斷口裂紋源及其附近桿端體內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處發生開裂。

(2) 桿端體環的內表面與關節軸承外圈的外表面之間存在嚴重的微動磨損，導致裂紋萌生；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致斷裂；位置B處的斷裂使位置A處的受力方向發生改變，桿端體發生傾斜導致位置A處開裂和桿端體的最終斷裂。