G13Cr4Mo4Ni4V軸承鋼的拉壓疲勞性能與失效過程研究

楊曉峰，劉永寶，楊卯生，羅志強，付中元

(1.空裝駐哈爾濱地區第一軍事代表室，哈爾濱 150066；2.中國航發哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025；3.鋼鐵研究總院，北京 100081)

G13Cr4Mo4Ni4V鋼(國外類似牌號為M50NiL)屬于表面硬化型高溫軸承鋼， 經滲碳熱處理后有以下性能：1)能夠在350 ℃高溫下穩定運行；2)表層硬度可達58～62 HRC，具有良好的耐磨性能及抗疲勞性能；3)心部組織為低碳馬氏體，碳濃度較低，硬度僅為35～45 HRC，但其斷裂韌性較好，通常大于40 MPa·m1/2[1-2]；4)與8Cr4Mo4V(國外類似牌號為M50)高溫軸承鋼相比，滲碳后的G13Cr4Mo4Ni4V鋼可以在保證表面高硬度的同時保持心部組織的高韌性，具有更好的抗沖擊性能。

隨著G13Cr4Mo4Ni4V 鋼制軸承尺寸增大和彈支結構的應用，其承受拉、扭、彎、壓等力的交互作用，服役工況更加復雜，G13Cr4Mo4Ni4V鋼的研究也成為人們關注的熱點：文獻[2]研究了鍛造工藝對G13Cr4Mo4Ni4V鋼組織性能的影響機理，發現沿晶界析出的δ鐵素體導致棒材沖擊功降低，通過降低鍛造溫度至1 110 ℃則可有效避免δ鐵素體的析出，進而提高棒材的沖擊性能；文獻[3-4]通過試驗研究發現M50NiL滲碳軸承鋼的疲勞性能優于M50和AISI 52100軸承鋼；文獻[5]研究表明，回火溫度升高，M50NiL鋼的斷裂韌性提高；文獻[6]通過銷盤摩擦試驗機對8Cr4Mo4V和G13Cr4Mo4Ni4V鋼進行摩擦磨損試驗，結果發現8Cr4Mo4V-8Cr4Mo4V摩擦副的摩擦因數小于8Cr4Mo4V-G13Cr4Mo4Ni4V摩擦副，Si3N4-8Cr4Mo4V摩擦副的摩擦因數大于Si3N4-G13Cr4Mo4Ni4V摩擦副；文獻[7]的研究結果表明，相比滲碳處理，滲碳滲氮、滲碳滲硫和滲碳滲氮滲硫處理后的G13Cr4Mo4Ni4V鋼摩擦因數顯著降低，滲碳滲氮處理的試樣磨損量最低，滲硫處理后試樣的滲硫層有一定的自潤滑性能，但滲硫層厚度超過150 μm時會降低耐磨性；文獻[8]發現G13Cr4Mo4Ni4V鋼在480 ℃碳氮共滲過程中，添加稀土元素可以阻礙ε-Fe2-3(C,N)的形成并促進γ′-Fe4N相的形成，使得碳氮共滲層厚度增加了39 μm，從而獲得更加優異的抗腐蝕性能；文獻[9]在航空軸承對稱試驗機上分別對M50和M50NiL制造的軸承引導面進行試驗，發現與M50鋼相比，M50NiL鋼滲碳層中碳化物顆粒尺寸太小，導致其抗滑動磨損性能差；文獻[10]發現G13Cr4Mo4Ni4V鋼在等離子滲碳過程中，滲碳體促使表面生成類金剛石涂層，從而提高了表面硬度，大幅度提升其耐磨性能。表面硬化鋼的材料特性可使同一種鋼制零部件的不同部位具有不同的性能，因此G13Cr4Mo4Ni4V高溫滲碳軸承鋼可為整體構件的設計提供更大的靈活性[11]。

1 淬回火后G13Cr4Mo4Ni4V鋼的組織結構

G13Cr4Mo4Ni4V鋼經1 070 ℃淬火、550 ℃回火后的顯微組織如圖1所示，其主要化學成分為(質量分數，下同)0.13%C，4.1%Mo，4.2%Cr，3.6%Ni，1.2%V。由于試驗鋼未經滲碳處理，回火組織呈現為典型的板條狀馬氏體，能夠觀察到明顯的原奧氏體晶界，如圖1a所示。發生馬氏體相變后， 原晶粒內部形成多個位向不同的板條群，板條群由若干板條束組成，板條束包含大量平行排列的細長馬氏體板條。組織中存在少量的微米級顆粒狀碳化物，主要位于三叉晶界處，如圖1b所示。圖1c—圖1f為試驗樣品顯微組織的透射電鏡圖像，結果顯示板條馬氏體的亞結構主要是位錯，X射線測試結果[12]顯示其位錯密度高達(2.3～5.9)×1011cm-2。大量位錯相互纏結，形成如圖1d所示的位錯胞結構，高密度位錯與位錯胞是提升軸承鋼強度與硬度的關鍵。TEM分析發現，基體中主要存在2種類型的亞微米級碳化物：數量較多的球形碳化物為VC，其形貌及衍射圖譜如圖1e所示；少部分不規則的顆粒狀碳化物為Mo2C，其形貌及衍射圖譜如圖1f所示。亞微米級碳化物尺寸較小，主要在回火過程中形成。

圖1 1 070 ℃淬火、550 ℃回火后G13Cr4Mo4Ni4V鋼的顯微組織

2 G13Cr4Mo4Ni4V鋼的軸向拉壓疲勞試驗

2.1 軸向拉壓疲勞試驗

按照GB/T 26077—2021《金屬材料 疲勞試驗 軸向應變控制方法》的規定共進行了7組試驗鋼軸向拉壓疲勞試驗，其中6根斷裂。根據疲勞試驗結果繪制的S-N曲線圖如圖2所示：隨著應力的增加，疲勞壽命降低，計算可得[13]試驗鋼的軸向拉壓疲勞強度約為610 MPa。

圖2 G13Cr4Mo4Ni4V鋼軸向拉壓疲勞S-N曲線

表1 G13Cr4Mo4Ni4V鋼的軸向拉壓疲勞試驗結果

2.2 疲勞斷裂原因分析

試樣斷裂后保持斷口清潔，通過掃描電鏡對斷口形貌進行觀察，結果如圖3所示：試驗鋼在軸向拉壓疲勞試驗過程中起裂方式主要有表面滑移帶起裂、近表面夾雜物起裂和內部碳化物團簇起裂。由圖3a可知，當疲勞裂紋萌生于近表面時，裂紋可以快速擴展至試樣表面形成缺口，在拉壓應力作用下，裂紋擴展導致試樣斷裂；疲勞裂紋萌生于試樣次表面(圖3b)或內部(圖3c)時，由于周圍材料的約束作用， 裂紋擴展相對緩慢，疲勞壽命大于近表面。軸向拉壓疲勞斷口顯示試樣僅有一個起裂源，拉壓疲勞微裂紋的萌生是試樣截面缺陷處在循環應力長時間作用下形成損傷累積，進而萌生裂紋。當某一位置萌生疲勞裂紋后，會出現應力集中，該位置微裂紋處于張開狀態，此處的真實應力較大，促使疲勞裂紋繼續擴展直至試樣斷裂。

(a)近表面夾雜物起裂

軸向拉壓疲勞的應力方向與試樣軸向平行，其截面上各處受力相同，疲勞裂紋萌生與位置無關，而與試驗應力、起裂類型和缺陷尺寸有關。應力強度因子是反應材料抵抗斷裂能力的重要參數，應力強度因子范圍門檻值ΔKth越高說明材料抗斷裂能力越強。計算結果顯示，近表面夾雜物起裂的ΔKth最低為2.44 MPa·m1/2，內部碳化物團簇起裂的ΔKth最低為2.63 MPa·m1/2，因此近表面夾雜物更容易誘發疲勞裂紋萌生，這與5#，6#試樣的試驗結果相符合，在相同的應力條件下(710 MPa)，近表面夾雜物起裂的疲勞壽命僅為526 300周次，而內部碳化物團簇起裂的疲勞壽命則達到3 087 000周次。對于內部碳化物團簇起裂，在碳化物尺寸相同時，提高試驗應力會顯著降低試樣的疲勞壽命，這可從表1中2#，3#，6#試樣的試驗結果得知，3個樣品起裂類型均為內部碳化物起裂，碳化物尺寸最大為13.7 μm，最小為11.0 μm，碳化物尺寸相差不大，試驗應力由630 MPa增加到710 MPa，試樣的疲勞壽命由9 987 600周次降低到308 700周次。

2.3 疲勞裂紋擴展

試驗鋼疲勞裂紋擴展過程如圖4所示，疲勞裂紋在內部碳化物團簇區域萌生之后，開始亞穩擴展，最終失穩斷裂。裂紋擴展初期，由于裂紋上下面經過高周次的擠壓作用，斷口比較光滑，如圖4a所示；隨著疲勞裂紋的進一步擴展，斷口上下面磨損逐漸減弱，出現撕裂棱和疲勞輝紋，如圖4b所示；之后，裂紋擴展速度逐漸加快，形成河流花樣，對應的斷裂方式為解理斷裂，如圖4c所示；最后，隨著裂紋擴展，試樣有效承載截面減少，在瞬斷區快速斷裂，斷口形貌為韌窩，但韌窩小而淺，撕裂棱不發達，如圖4d所示。

圖4 G13Cr4Mo4Ni4V鋼的軸向拉壓疲勞裂紋擴展形貌

3 表面滲碳對G13Cr4Mo4Ni4V鋼軸向拉壓疲勞性能的影響

為分析滲碳處理對G13Cr4Mo4Ni4V鋼拉壓疲勞性能及失效機制的影響，選取部分典型試樣進行滲碳處理，滲碳層深度約為1.3 mm，在相同試驗應力條件下進行疲勞測試。由表1可知，未經滲碳處理的5#試樣在試驗應力為710 MPa時萌生裂紋的夾雜物尺寸為9.6 μm，距表面4.8 μm，拉壓疲勞壽命為526 300周次；滲碳后，8#試樣在試驗應力為610 MPa時萌生裂紋的夾雜物尺寸為7.7 μm，距表面4.1 μm，拉壓疲勞壽命為395 300周次。滲碳試樣夾雜物尺寸、試驗應力較未滲碳試樣更小，但滲碳試樣的拉壓疲勞壽命反而降低。這與滲碳后拉壓疲勞試樣的應力狀態改變有關，試驗鋼軸向拉壓疲勞試驗的應力方向與試樣軸向平行，未滲碳時，試樣截面上各處受力相同，而滲碳后由于滲碳層硬度和強度提高，塑韌性降低，當試樣承受拉應力而發生形變時，試樣滲碳層承受的拉應力較內部組織更大，當缺陷位于試樣滲碳層時，缺陷位置所承受的應力大于平均拉應力，使試樣的拉壓疲勞壽命降低。

試驗應力為710 MPa時，試驗鋼滲碳試樣(9#)與未滲碳試樣(6#)的疲勞壽命對比如圖5所示。疲勞斷口分析顯示，兩者的疲勞裂紋起裂方式均為內部團簇碳化物起裂。未滲碳試樣的碳化物尺寸約為11.0 μm，疲勞壽命為3 087 000周次；而滲碳試樣的碳化物尺寸為10.6 μm，疲勞壽命為5 914 500周次。兩者的疲勞裂紋均萌生于未滲碳區域，團簇碳化物尺寸接近，滲碳試樣的疲勞壽命明顯高于未滲碳試樣。這是由于當缺陷位于試樣內部時，缺陷位置所承受的應力小于平均拉應力，從而延長試樣的拉壓疲勞壽命。

圖5 G13Cr4Mo4Ni4V鋼滲碳試樣和未滲碳試樣的軸向拉壓疲勞壽命對比

綜上可知：如果滲碳層不存在引起裂紋萌生的夾雜物等組織缺陷，滲碳處理會提高滲碳層組織抵抗裂紋萌生的能力，裂紋主要在內部非滲碳區域萌生，疲勞壽命較高；如果滲碳層存在夾雜物等組織缺陷時，缺陷及周圍組織承受的拉應力明顯提高，導致裂紋優先在滲碳層缺陷處形成，疲勞壽命反而降低。

4 結論

通過對G13Cr4Mo4Ni4V軸承鋼微觀組織和軸向拉壓疲勞試驗結果進行分析，揭示了疲勞裂紋的起裂原因和擴展機理，并對比分析了滲碳處理對軸承鋼拉壓疲勞性能的影響，得到以下結論：

1)G13Cr4Mo4Ni4V軸承鋼的軸向拉壓疲勞強度為610 MPa，拉壓疲勞裂紋萌生主要源于內部碳化物團簇，約占50%；其次為近表面夾雜物起裂和表面滑移帶起裂。

2)相近尺寸形狀的夾雜物和碳化物，承載相同拉應力時，拉壓疲勞裂紋更容易在近表面夾雜物缺陷處萌生。

3)G13Cr4Mo4Ni4V軸承鋼表面滲碳后滲層硬度高、塑韌性低，當試樣承載拉應力形變時，改變了試樣截面拉應力分布，試樣滲碳層承受比內部更大的拉應力，滲碳層存在引起裂紋萌生的夾雜物等缺陷，高于平均拉應力的滲碳層應力會導致裂紋優先在滲碳層夾雜物處形成，降低了疲勞壽命。滲碳層內不存在夾雜物等缺陷時，疲勞裂紋在內部非滲碳區域的夾雜物等缺陷處萌生，拉壓疲勞壽命延長。