试样表面划痕对接触疲劳试验结果的影响
2017-07-25栾景燕杨明亮安浩俊
栾景燕，杨明亮，安浩俊
（中航工业哈尔滨轴承有限公司 研发中心，哈尔滨 150000）
在接触疲劳试验过程中，由于试样在终加工及检测时工作表面易产生划伤、压印等缺陷，产生应力集中，成为疲劳裂纹源，导致早期疲劳破损而使寿命显著降低。因此，其试验寿命不能反映材料因素对接触疲劳寿命的影响及规律性。在研究材料、工艺等单因素对疲劳寿命影响的试验过程中，会影响试验数据的准确性、可靠性和应用价值。
为此，研究GCr15轴承钢试样表面缺陷（划痕）对接触疲劳寿命的影响规律，并提示试验相关人员在试验前应对试样表面缺陷严格检查和控制，以确保试验结果准确、可靠。
1 试验
1.1 试样
用GCr15轴承钢加工成推力片试样（图1），经正常热处理淬回火和终加工后，试样硬度为63.5～64.5 HRC，表面粗糙度Ra为0.08μm。
图1 推力片试样Fig.1 Thrust piece sample
为保证试样表面缺陷的一致性，采用模拟法［1］制作不同的划痕试样，如图2所示。洛氏硬度金刚石压头圆锥角为120°，锥顶圆弧半径r为0.2 mm，根据划痕宽度B计算其深度t
图2 试样表面制备划痕示意图Fig.2 Sketch of the preparation of sample surface scratch
利用洛氏硬度金刚石压头在不同载荷作用下制备了不同宽度及深度的划痕，划痕与滚动方向夹角分别为 0，45°，90°，试样共分 5组，每组 15件，试样的划痕尺寸和方向见表1。
表1 划痕的尺寸和方向Tab.1 Size and direction of surface scratch
1.2 试验方法
试验在TLP接触疲劳试验机上进行，其工作原理（图3）与推力球轴承相似，仅推力球轴承的座圈被平面试样所代替。当推力球轴承旋转时，在保持架内的钢球围绕主轴轴线沿紧圈沟道面进行自转和公转，模拟推力球轴承的工作条件进行接触疲劳试验。
图3 试验原理图Fig.3 Test principle diagram
在同一应力水平下，采用交叉试验法［2］进行试验。试验接触应力为420 kg／mm2，试验机转速为2 050 r／min，用20＃机械油循环润滑。试验过程中，试样平均温度小于50℃。各种划痕试样全部运转至疲劳剥落［3］为止，然后用二参数Weibull分布［4］和最大似然估计法处理试验数据。
1.3 试验结果
不同划痕试样的接触疲劳试验结果如表2和图4所示。
图4 不同划痕试样疲劳寿命分布的P-N曲线Fig.4 P-N curves of fatigue life distribution of differernt scratch samples
对比表2中1＃和2＃试样数据可以看出，当划痕方向与滚动方向成90°时，2＃试样的3种寿命比1＃试样的低。由此可见，接触疲劳寿命随着表面划痕的加深而降低；对比2＃～4＃试样数据可以看出，当划痕深度相同（6μm）时，4＃试样寿命最高，2＃试样寿命最低。由此可见，划痕方向对接触疲劳的影响较为显著，随着与滚动方向夹角的增大，寿命急剧下降。与滚动方向垂直的划痕对疲劳性能的危害最为严重，在试验中必须严格控制。
表2 不同划痕试样的接触疲劳寿命Tab.2 Contact fatigue life of different scratch test samples
2 结果分析
疲劳试样的宏观照片如图5所示。由图可知，疲劳部位发生在钢球运动前进方向。试样划痕一侧，由于表面损伤引起滚动接触金属表面发生显微裂纹，属于表面起源型疲劳。
图5 疲劳破损试样的宏观形貌Fig.5 Macroscopic morphology of fatigue damaged samples
疲劳部位如图6所示。由图可知，钢球反复经过划痕处，划痕两侧由于较大的塑性变形而使划痕变得平坦：其中背离滚动方向一侧（简称划痕左侧）接近辗平，而沿滚动方向一侧（简称划痕右侧）则形成有微凸的鼓包。
图6 疲劳部位示意图Fig.6 Sketch diagram of fatigue site
疲劳裂纹从划痕右侧产生，并与滚动方向成一小倾角，沿钢球滚动方向扩展，扩展到一定长度，裂纹转向沿近似平行于表面的方向扩展。这是由于在制作划痕时，由于金属塑性变形，在划痕两侧形成凸起。当钢球通过时，在压应力作用下，划痕左侧附近金属易沿划痕方向产生塑性流动，逐渐辗成很小的倾斜面，该处在变形过程中主要受压应力；当钢球跨越划痕与右侧面接触滚动时，凸峰金属受切向力和压应力的作用，使其发生向前塑性流动，划痕右侧面下部金属受拉应力和压应力。由于该处金属塑性流动比左侧困难，凸峰受高压变形，而表层内的金属受到反复拉应力和切应力的作用而形成疲劳裂纹，并沿运动方向扩展至疲劳破坏。由于与滚动方向垂直的划痕侧面受到的拉应力和切应力要比其他2个方向的大，故疲劳寿命显著下降。
试验中还发现，在表面划痕较浅，对疲劳寿命的影响减轻，当划痕深度为3μm、宽度为70μm时，其中有部分试样的疲劳点没有出现在划痕缺陷部位。
3 结论
表面划痕的形貌对接触疲劳寿命有不同程度的影响，主要表现在接触疲劳寿命随表面划痕的加深而降低；随划痕与滚动方向夹角的增大而急剧下降。当划痕的深度和宽度小于一定尺寸时，划痕对接触疲劳性能无明显影响。
