磨削剝離裂紋的產(chǎn)生機(jī)理與特征

歐陽華，楊俊生，葉健熠，崔旋，趙洋

(1.中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412000；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；3.高性能軸承數(shù)字化設(shè)計國家國際科技合作基地，河南 洛陽 471039；4.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039)

磨削裂紋是高硬度材料(如軸承鋼)在磨削過程中易產(chǎn)生的一種缺陷，一般為網(wǎng)狀且垂直磨削方向[1]，大多研究者認(rèn)為深度較淺[2]，對其分析僅停留在金相鑒別階段。

剝離裂紋是熱處理尤其是表面淬火過程中一種常見的缺陷，在磨削過程中極少出現(xiàn)。文中的剝離裂紋指磨削過程中組織變化非常嚴(yán)重，且變質(zhì)層深度達(dá)到數(shù)個毫米時磨削裂紋所呈現(xiàn)的一種極端形式，對其分析有助于認(rèn)識磨削裂紋所能達(dá)到的嚴(yán)重程度和組織應(yīng)力的尺寸效應(yīng)及其對磨削裂紋形貌的影響。

1 磨削剝離裂紋

1.1 零件特征及磨削方式

推力軸承套圈(軸圈與座圈相同)的內(nèi)徑1 640 mm、外徑1 800 mm、寬度27 mm；材料為GCr15SiMn，其組織狀態(tài)為回火馬氏體。

推力軸承套圈加工工藝為：鍛造→球化退火→車削→淬火→粗磨→細(xì)磨→終磨。粗磨平面后尺寸檢測時發(fā)現(xiàn)裂紋，磨削機(jī)床為M74180平面磨床，最大磨削零件直徑為1 800 mm，砂輪尺寸為φ750 mm×φ650 mm×180 mm。零件平面磨削時的狀態(tài)如圖1所示，零件在磁力作用下固定在磁盤上，磁盤攜帶零件平移至砂輪下方，砂輪落下后進(jìn)行磨削。

圖1 推力軸承套圈與平面磨床磁盤

1.2 裂紋形態(tài)及產(chǎn)生過程

裂紋發(fā)現(xiàn)時總長約30 mm(圖2),放置12 h后裂紋擴(kuò)展至最大跨度約100 mm，弧長約160 mm(圖3)。裂紋基本以圖2中箭頭所指凸起最高的位置為中心對稱分布，中部最嚴(yán)重，兩側(cè)逐漸減弱。

圖2 裂紋初始形貌

圖3 放置12 h后裂紋整體尺寸

裂紋的俯視圖如圖4所示，從圖中箭頭可看到磨削痕跡在裂紋兩側(cè)是連續(xù)和完全密合的，凸起一側(cè)的裂紋邊緣為尖銳狀態(tài)，說明裂紋凸起在該表面最終磨削完成后產(chǎn)生，否則，凸起邊緣側(cè)會在后續(xù)磨削中被磨削出小平面。

圖4 裂紋俯視圖

1.3 裂紋產(chǎn)生原因

用5%硝酸酒精擦拭，發(fā)現(xiàn)裂紋周圍伴隨有跨越裂紋的磨削變質(zhì)區(qū)，分布在砂輪與零件接觸的整個區(qū)域。根據(jù)裂紋與磨削變質(zhì)區(qū)的伴隨關(guān)系，可確定為磨削裂紋。

進(jìn)一步分析磨削變質(zhì)區(qū)與裂紋的關(guān)系可知變質(zhì)區(qū)寬度為砂輪寬度，周圍有清晰的邊界，說明磨削變質(zhì)區(qū)產(chǎn)生時砂輪與零件位置相對固定，砂輪高速旋轉(zhuǎn)時零件停止轉(zhuǎn)動，屬于時間非正常接觸[3]。

1.4 現(xiàn)場調(diào)查分析

機(jī)床砂輪軸的熱繼電器在磨削時曾出現(xiàn)保護(hù)現(xiàn)象，機(jī)床失去動力，使磨削液瞬時中斷，零件和磁盤停止轉(zhuǎn)動；砂輪失去動力，但在慣性作用下依然高速轉(zhuǎn)動，在零件局部持續(xù)磨削，從而誘發(fā)磨削裂紋。這與理論分析在邏輯上吻合。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)機(jī)床砂輪主軸熱繼電器保護(hù)易出現(xiàn)在平面寬度較大零件的磨削過程中，在額定吃刀量下，磨削平面寬度越大，所需磨削力越大，砂輪主軸電動機(jī)所需電流越大，發(fā)熱越多，繼電器越易發(fā)生熱保護(hù)。新安裝砂輪硬度偏大，易使磨削力增大，出現(xiàn)電路過熱保護(hù)。

2 磨削剝離裂紋特征

2.1 裂紋尺寸大

與通常的磨削裂紋相比，磨削剝離裂紋(圖3)尺寸大，開裂嚴(yán)重，易與淬火裂紋混淆。若金相鑒別分析時在圖5(標(biāo)記8個點(diǎn)：1為裂紋左側(cè)末端，2為裂紋左側(cè)末端與變質(zhì)區(qū)的交點(diǎn)，3為裂紋左側(cè)出現(xiàn)明顯鋸齒特征的點(diǎn)，4為裂紋左側(cè)上方與磨削變質(zhì)區(qū)的交點(diǎn)，5為裂紋開裂過程中出現(xiàn)的局部崩斷豁口，6為孔位置，7為裂紋右側(cè)與磨削變質(zhì)區(qū)的交點(diǎn)，也是右側(cè)出現(xiàn)明顯鋸齒特征的起點(diǎn)，8為裂紋右側(cè)末端，下圖同)中2，4，7點(diǎn)之外的位置取樣，則不能發(fā)現(xiàn)磨削變質(zhì)區(qū)，可能導(dǎo)致鑒定分析出現(xiàn)偏差。

圖5 裂紋與磨削變質(zhì)區(qū)(5%硝酸酒精擦拭)

2.2 裂紋具有剝離特征

與通常的磨削裂紋相比，磨削剝離裂紋具有明顯的剝離特征(圖2)，裂紋最高處的翹起高度約1 mm。剝離體未分離時迎著自然光拍攝到的裂紋及周圍區(qū)域的翹起剝離特征如圖6所示:光線迎光入射到一個平面時，反射后不會出現(xiàn)邊界突變;裂紋翹起剝離區(qū)呈暗色，與周圍的亮區(qū)有明顯的反射差異，說明暗色區(qū)已經(jīng)與零件基體在內(nèi)部出現(xiàn)了分離，使零件表面的剝離區(qū)與周圍區(qū)域不在一個平面上。

圖6 裂紋剝離特征的整體顯示

完全剝離后,磨削變質(zhì)區(qū)與剝離體的相互關(guān)系如圖7所示。用螺絲刀在孔位置對裂紋進(jìn)行起撬，

圖7 裂紋剝離

分離出圖中的剝離體,金屬剝離體與耦合面斷口的對照圖如圖8所示。

圖8 剝離體耦合斷口

2.3 裂紋變質(zhì)層深大

對剝離體磨削變質(zhì)層的洛氏硬度進(jìn)行檢測，結(jié)果見表1，可看到磨削變質(zhì)層深約3.70 mm，高溫回火造成磨削變質(zhì)層的深度(圖9)約4 mm，表1與圖9的結(jié)果基本吻合。

表1 變質(zhì)層洛氏硬度

圖9 磨削變質(zhì)層深度

2.4 裂紋末端鋸齒特征

裂紋兩側(cè)末端均有異常的鋸齒形貌，圖3中裂紋左側(cè)和右側(cè)箭頭處的鋸齒形貌如圖10所示，左側(cè)鋸齒特征剝離后的背部形貌如圖11所示。

圖10 裂紋鋸齒形貌

圖11 左側(cè)裂紋鋸齒形貌(剝離體上)

2.5 內(nèi)部擴(kuò)展特征

剝離體背面形貌如圖12所示。圖中2條大致平行的黑線為變質(zhì)區(qū)界線，4與5之間的S位置為裂紋源，圖中紅色箭頭顯示了裂紋的擴(kuò)展路徑。由圖4、圖5可看到裂紋擴(kuò)展過程受到孔的影響，但對裂紋源的鑒別分析表明孔并非裂紋的源頭，如圖13所示，在孔周圍可看到明顯的擴(kuò)展紋路，擴(kuò)展方向?yàn)閳D中的黑色箭頭，孔周圍的白色痕跡為螺絲刀起撬時產(chǎn)生的磨損痕跡。

圖12 剝離體背面形貌

圖13 孔附近斷口形貌

裂紋源及其周圍的斷口形貌如圖14所示，孔位置附近有與圖12及圖13對應(yīng)的白色起撬磨損痕跡。由圖12—圖14可確定裂紋源在S位置，表明剝離裂紋產(chǎn)生過程中孔的存在并非必要因素。在圖12、圖13和圖14b中觀察到的橫向或縱向紋路是裂紋在局部的擴(kuò)展特征。

圖14 裂紋源及其周圍斷口形貌

2.6 小結(jié)

磨削剝離裂紋的各種特征相互關(guān)聯(lián)，變質(zhì)層的深度大和范圍廣導(dǎo)致磨削剝離裂紋的尺寸大和深度大，并使磨削裂紋在內(nèi)部擴(kuò)展，從而具有擴(kuò)展特征和剝離特征。

3 磨削剝離裂紋產(chǎn)生機(jī)理

磨削裂紋主要受組織應(yīng)力作用而產(chǎn)生，其產(chǎn)生和擴(kuò)展受最大拉應(yīng)力位置和方向的影響[4]。組織變化是三維變化，其產(chǎn)生的應(yīng)變和應(yīng)力具有尺寸效應(yīng)[5]，在任意方向上的組織變化和組織應(yīng)力都隨組織應(yīng)變尺寸的增加而累積。

一般磨削過程中高溫回火組織變化層的深度約在0.30 mm以內(nèi)，而磨削表面的長度和寬度遠(yuǎn)大于0.30 mm，從而使最大拉應(yīng)力的方向始終在磨削表面的水平方向上，表現(xiàn)為裂紋在表面產(chǎn)生，沿兩側(cè)和深度擴(kuò)展，出現(xiàn)通常所見的磨削裂紋形貌。隨著磨削變質(zhì)層深度的增加，當(dāng)達(dá)到數(shù)個毫米時，由磨削組織變化導(dǎo)致的拉應(yīng)力居于主要地位，裂紋產(chǎn)生后的尖端處于不穩(wěn)定的狀態(tài),很容易沿著垂直最大拉應(yīng)力的方向擴(kuò)展，即在一定深度上平行于磨削平面擴(kuò)展；由于磨削高溫回火層的體積收縮，磨削變質(zhì)層在長度、寬度和深度方向上均有收縮應(yīng)力，裂紋在內(nèi)部擴(kuò)展時最終會透出表面，形成一個三維剝離體。

4 磨削剝離裂紋鋸齒特征產(chǎn)生原因

磨削剝離裂紋是一種擴(kuò)展裂紋，裂紋前端在擴(kuò)展過程中處于應(yīng)力集中狀態(tài)，伴隨著應(yīng)力和能量的釋放，裂紋每次的局部擴(kuò)展均是一個局部的三維條帶，即疲勞紋。在最終擴(kuò)展的末端，能量釋放尤其劇烈，單次擴(kuò)展的條帶更大，因此，剝離裂紋末端會出現(xiàn)肉眼可見的鋸齒狀特征，其是一種擴(kuò)展特征，而非裂紋起源。

5 結(jié)束語

磨削剝離裂紋是當(dāng)磨削變質(zhì)層達(dá)到數(shù)個毫米，在磨削組織應(yīng)力尺寸效應(yīng)的影響下，最大拉應(yīng)力位置出現(xiàn)在磨削變質(zhì)層之下時所出現(xiàn)的一種開裂和擴(kuò)展形式。

可將磨削剝離裂紋末端鋸齒狀的擴(kuò)展特征和磨削區(qū)域伴隨的嚴(yán)重變質(zhì)層作為鑒別判據(jù)。磨削剝離裂紋的擴(kuò)展特征表明其產(chǎn)生過程與時間相關(guān)。