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(shè)備有限公司實驗中心，山西 太原 030000）

針對經(jīng)過疲勞強度試驗后出現(xiàn)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(yīng)力集中型疲勞斷裂。疲勞源區(qū)斷面與主平面呈45°，疲勞擴展區(qū)疲勞條帶清晰，終斷區(qū)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(cè)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(qū)域縫隙略寬于兩側(cè)。裂紋兩側(cè)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(jīng)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(qū)域，兩側(cè)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(qū)域呈新鮮纖維狀斷口。斷口觀察結(jié)果顯示，此屬嚴重應(yīng)力集中型旋轉(zhuǎn)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(qū)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(qū)呈現(xiàn)典型的擠壓層區(qū)域，特征為近似平行束狀。緊鄰源區(qū)的擴展區(qū)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(qū)

次生疲勞源區(qū)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(cè)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(qū)

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(qū)域出現(xiàn)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(qū)車軸周向表面形貌

1.3 金相分析

在主疲勞源區(qū)及次生疲勞源區(qū)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(fā)現(xiàn)小疲勞裂紋一條，裂紋長度約1.5 mm，裂紋兩側(cè)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(qū)域表面還發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)缺陷。主斷口附近發(fā)現(xiàn)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(jīng)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(jié)果表明，拉伸指標(biāo)合格。

2 原理分析討論

2.1 材料熱處理

工件力學(xué)拉伸指標(biāo)合格；熱處理狀態(tài)正常，屬調(diào)質(zhì)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(fā)現(xiàn)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(yīng)力集中型疲勞斷裂，斷口呈現(xiàn)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(yīng)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(chǎn)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(yīng)力，產(chǎn)生不同的變形引起接觸界面發(fā)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(chǎn)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(yīng)力下擴展開裂。在緊配合的部位易發(fā)生微動磨損。在接觸壓應(yīng)力下，摩擦副表面的微凸體產(chǎn)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(yīng)力集中型疲勞斷裂。導(dǎo)致應(yīng)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(chǎn)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(jié)構(gòu)與性能、外加載荷大小及循環(huán)次數(shù)、振動頻率與振幅、溫度、氣氛、潤滑及環(huán)境條件等等。試驗結(jié)果表明，材料成分、微觀組織方面未見異常。

3 結(jié)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(dǎo)致微動疲勞產(chǎn)生接觸疲勞裂紋，以接觸疲勞裂紋為源，引發(fā)嚴重應(yīng)力集中型疲勞斷裂。