工件疲勞強度試驗裂紋分析

喬丹陽，王旭東，潘嘉玉，王建國，高曉文

（太原重工軌道交通設備有限公司實驗中心，山西 太原 030000）

針對經過疲勞強度試驗后出現的表面裂紋，實驗室選取其中兩個工件，進行解剖試驗，分析開裂原因。

1 試驗分析

1.1 宏觀觀察

A工件完全斷裂，斷口形貌源于工件外表面的嚴重應力集中型疲勞斷裂。疲勞源區斷面與主平面呈45°，疲勞擴展區疲勞條帶清晰，終斷區離開表面，位于距表面半徑1/3處，見圖1所示。

圖1 A工件號端斷口形貌

B工件接近裂至半圓，裂紋沿圓周弧線長度約19 cm。裂紋兩側有較多銹蝕，擦拭后大部分為浮銹，可去除。裂紋沿圓周分布整體較細密，中部區域縫隙略寬于兩側。裂紋兩側碾壓劃傷較嚴重（見圖2）。

圖2 開裂B工件裂紋放大

此次完全斷裂A工件表面損壞較嚴重，選取B工件進行開裂原因分析較為適宜。B工件裂紋人工壓開斷口后，可見疲勞斷口已經開裂約一半，疲勞源處呈較大斜面，主疲勞源位于剖開斷口的中部區域，兩側有多個次生疲勞源，其各自擴展平面逐漸匯合到同一個疲勞擴展平面上；人工壓開區域呈新鮮纖維狀斷口。斷口觀察結果顯示，此屬嚴重應力集中型旋轉彎曲疲勞斷裂（見圖3）。

圖3 開裂B工件人工剖開疲勞斷口

1.2 掃描電鏡

電鏡掃描位置見圖4。

圖4 掃描位置

主疲勞源區掃描電鏡觀察起裂源位于最外表面，為多源型起裂。單個疲勞源區呈現典型的擠壓層區域，特征為近似平行束狀。緊鄰源區的擴展區疲勞溝線特征明顯，疲勞溝線較稀疏，呈放射狀擴展，微觀形貌見圖5所示。

圖5 主疲勞源區

次生疲勞源區同樣起源于擠壓層，擠壓層深度約90 um。一次疲勞溝線呈單側放射狀特征，斷口起伏較大，微觀形貌見下頁圖6。

圖6 次生疲勞源區

工件表面縱向劃傷嚴重，周向有多條平行主斷口的波浪狀接觸疲勞裂紋和黏著磨損花樣。微觀形貌見圖7-1。此外，局部區域出現純擠壓變形層，車削紋路尚清晰可辨，見圖7-2。

圖7 主疲勞源區車軸周向表面形貌

1.3 金相分析

在主疲勞源區及次生疲勞源區分別取高倍試樣，觀察垂直主斷口截面，試樣鑲嵌后觀察。主斷口面起裂源處未見夾雜物、微裂紋類缺陷。距主斷口2mm附近表面發現小疲勞裂紋一條，裂紋長度約1.5 mm，裂紋兩側耦合性較好，無夾雜物伴生，裂紋尖端尖細，起裂源位置開口處約有50 um的臺階差，裂紋旁組織為回火馬氏體+回火貝氏體，裂紋穿晶擴展，見圖8-1和8-2。主斷口附近區域表面還發現多條接觸疲勞裂紋，裂紋擴展較長，裂紋旁有氧化層，裂紋旁組織塑性變形層明顯，見圖8-3和8-4。

圖8 主疲勞斷口旁試樣

次生疲勞源試樣，主斷口附近未發現缺陷。主斷口附近發現較輕微接觸疲勞裂紋，見圖9。

圖9 次生疲勞源試樣

1.4 低倍組織

工件橫截面試樣經熱酸浸蝕后，純凈度、致密度、均勻性良好，未見宏觀冶金缺陷。

1.5 拉伸性能

拉伸性能見表1。

表1 拉伸性能

試驗結果表明，拉伸指標合格。

2 原理分析討論

2.1 材料熱處理

工件力學拉伸指標合格；熱處理狀態正常，屬調質組織，晶粒度合格。

2.2 疲勞斷裂

本次裂紋分析的B工件所屬工件在疲勞試驗后發現有宏觀裂紋。人工剖開裂紋后，宏觀斷口顯示屬多源型嚴重應力集中型疲勞斷裂，斷口呈現疲勞溝線特征。分析認為，宏觀疲勞源多、存在疲勞溝線則認為疲勞的起始應力幅較大。疲勞源處呈擠壓層特征，圓弧面顯示多條波浪狀接觸疲勞裂紋，系工件之間產生微動疲勞所致。

2.3 微動疲勞

在疲勞試驗過程中，工件之間由于承受交變彎曲應力，產生不同的變形引起接觸界面發生微幅相對運動，促使疲勞裂紋早期萌生并加速擴展，以微動疲勞的模式在工件表面產生接觸疲勞裂紋。微動疲勞包括微動磨損和由其萌生的裂紋并在交變應力下擴展開裂。在緊配合的部位易發生微動磨損。在接觸壓應力下，摩擦副表面的微凸體產生塑性變形和黏著。在小振幅振動作用下黏著點受剪切使黏著物脫落，同時剪切表面被氧化，氧化物以Fe2O3為主，磨屑呈紅褐色。

2.4 綜合分析

試驗工件早期失效是嚴重應力集中型疲勞斷裂。導致應力集中的主要因素是疲勞源處為擠壓層，擠壓層系工件表面產生的多條接觸疲勞裂紋。接觸疲勞裂紋系試驗過程中微動疲勞所致。影響微動疲勞的主要因素有材料的成分、微觀組織結構與性能、外加載荷大小及循環次數、振動頻率與振幅、溫度、氣氛、潤滑及環境條件等等。試驗結果表明，材料成分、微觀組織方面未見異常。

3 結語

工件斷裂為疲勞斷裂。斷裂原因系試驗過程中，工件表面由于微動磨損導致微動疲勞產生接觸疲勞裂紋，以接觸疲勞裂紋為源，引發嚴重應力集中型疲勞斷裂。