桿端關(guān)節(jié)軸承桿端體的疲勞斷裂機(jī)制

，，

(上海市軸承技術(shù)研究所，上海 201801)

0 引 言

軸承是重要的關(guān)鍵零件，被稱為“高端裝備的關(guān)節(jié)”，廣泛應(yīng)用于礦山機(jī)械、精密機(jī)床、冶金設(shè)備、重型裝備和高檔轎車等裝備領(lǐng)域，以及風(fēng)力發(fā)電、高鐵動車和航空航天等新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域[1-3]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，軸承的服役環(huán)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(jī)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(huán)接觸疲勞應(yīng)力、高接觸應(yīng)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(guān)節(jié)軸承是帶有桿端或裝于桿端的關(guān)節(jié)軸承，一般用于速度較低的擺動運(yùn)動。目前，有關(guān)桿端關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)軸承的摩擦性能進(jìn)行了研究，分析了不同擺動頻率下桿端關(guān)節(jié)軸承的摩擦因數(shù)、線磨損量和摩擦溫度的變化規(guī)律，結(jié)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(guān)節(jié)軸承桿端體的一項重要指標(biāo)，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(jī)制進(jìn)行研究。但是目前，有關(guān)桿端關(guān)節(jié)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(jī)對桿端關(guān)節(jié)軸承進(jìn)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(jī)制。

1 試樣制備與試驗方法

桿端關(guān)節(jié)軸承由桿端體和關(guān)節(jié)軸承組成。桿端體和關(guān)節(jié)軸承外圈的材料均為17-4PH沉淀硬化馬氏體不銹鋼，關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈的材料為G95Cr18高碳高鉻馬氏體不銹鋼，二者的化學(xué)成分見表1。內(nèi)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(qiáng)度不小于1 069 MPa，屈服強(qiáng)度不小于1 000 MPa，斷后伸長率不小于12%。桿端體與關(guān)節(jié)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(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of 17-4PH and G95Cr18 stainless steels (mass) %

圖2 疲勞斷裂后桿端關(guān)節(jié)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(jī)上對桿端關(guān)節(jié)軸承進(jìn)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(guān)節(jié)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(huán)次數(shù)為100萬次，試驗結(jié)束后，經(jīng)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(huán)加載100萬次，軸承仍未破損；第3階段，繼續(xù)加載80萬次，即總循環(huán)次數(shù)為280萬次，此時桿端體發(fā)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(jī)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(cè)表面的微觀形貌，用附帶的能譜儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)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(huán)上取樣，經(jīng)研磨、拋光，用苦味酸腐蝕后，利用DMI5000M型光學(xué)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(jìn)行硬度測試，載荷為300 N。

2 試驗結(jié)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(fā)生斷裂，位置A位于環(huán)與桿的過渡區(qū)域，位置B位于另一側(cè)與桿成45°方向的環(huán)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(kuò)展區(qū)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(nèi)表面，裂紋源平坦、細(xì)膩，裂紋擴(kuò)展區(qū)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(nèi)表面可見明顯的磨損、碾壓特征，且在磨損較嚴(yán)重區(qū)域存在微裂紋(箭頭所指)；與位置B處桿端體配合的關(guān)節(jié)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(nèi)表面和關(guān)節(jié)軸承外圈外表面的磨損區(qū)域呈現(xiàn)兩端寬、中間窄的現(xiàn)象，磨損區(qū)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(nèi)表面形貌以及位置B處關(guān)節(jié)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(qū)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(qū)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(kuò)展區(qū)可見疲勞輝紋，瞬斷區(qū)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(kuò)展區(qū)可見疲勞輝紋和準(zhǔn)解理特征，瞬斷區(qū)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(yán)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(nèi)表面有明顯磨損、碾壓特征，a和b區(qū)域(圓圈所示)的磨損較嚴(yán)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(nèi)表面的微裂紋較少，裂紋擴(kuò)展程度較輕。

對桿端體內(nèi)表面及與其配合的關(guān)節(jié)軸承外圈外表面的磨損程度進(jìn)行分析后可知，在桿端體的下半環(huán)，與桿成約45°方向的磨損較嚴(yán)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(fā)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(yīng)力會高于平均應(yīng)力，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；位置A處斷口桿端體外表面受拉應(yīng)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(yán)重的區(qū)域；位置B處斷口桿端體內(nèi)表面受拉應(yīng)力的作用。

圖5 桿端體位置B處斷口不同區(qū)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(nèi)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(jié)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(nèi)表面的氧含量較高，氧化程度較嚴(yán)重，裂紋源附近桿端體內(nèi)表面存在大量氧化物，由此可推斷，位置B處桿端體內(nèi)表面和關(guān)節(jié)軸承外圈外表面宏觀呈現(xiàn)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(nèi)表表面的氧化程度較嚴(yán)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(nèi)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)象，如圖8(b)中箭頭所指；在金屬流變較嚴(yán)重的區(qū)域存在3條微裂紋，裂紋沿桿端體內(nèi)表面向內(nèi)部擴(kuò)展，其中有2條微裂紋擴(kuò)展到一定程度后，交匯成一條裂紋向桿端體內(nèi)部擴(kuò)展，擴(kuò)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(fā)現(xiàn)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(shù)指標(biāo)要求(35～42 HRC)；關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)軸承在循環(huán)加載280萬次時其桿端體分別在位置A和位置B處發(fā)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(kuò)展區(qū)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(nèi)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(yán)重，位置B處斷口側(cè)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(huán)與桿的過渡區(qū)域，由于該位置為桿端體結(jié)構(gòu)設(shè)計的薄弱區(qū)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(fā)生改變，使桿端體發(fā)生傾斜而導(dǎo)致的。

位置B處斷口裂紋源附近桿端體內(nèi)表面及與其配合的關(guān)節(jié)軸承外圈外表面均存在嚴(yán)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(fā)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(fù)切應(yīng)力作用下，亞表面萌生裂紋。仔細(xì)觀察可發(fā)現(xiàn)，在桿端體磨損嚴(yán)重區(qū)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(nèi)部擴(kuò)展，最終導(dǎo)致桿端體在位置B處發(fā)生斷裂。

3 結(jié) 論

(1) 桿端體分別在其桿的兩側(cè)，即環(huán)與桿的過渡區(qū)域(位置A)以及與桿成45°方向的環(huán)上(位置B)發(fā)生疲勞斷裂；位置B處斷口裂紋源及其附近桿端體內(nèi)表面的氧化程度比位置A處斷口的嚴(yán)重，因此位置B處先于位置A處發(fā)生開裂。

(2) 桿端體環(huán)的內(nèi)表面與關(guān)節(jié)軸承外圈的外表面之間存在嚴(yán)重的微動磨損，導(dǎo)致裂紋萌生；位置B處的磨損最嚴(yán)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(kuò)展并導(dǎo)致斷裂；位置B處的斷裂使位置A處的受力方向發(fā)生改變，桿端體發(fā)生傾斜導(dǎo)致位置A處開裂和桿端體的最終斷裂。