表层超硬化M50NiL钢接触疲劳失效机理

罗庆洪, 赵振业, 贺自强, 李志明

(中国航发北京航空材料研究院，北京 100095)

表层超硬化M50NiL钢接触疲劳失效机理

罗庆洪, 赵振业, 贺自强, 李志明

(中国航发北京航空材料研究院，北京 100095)

应用表面轮廓仪、维氏硬度计、残余应力X射线测定仪、光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、滚动接触疲劳试验机等，对比研究表层超硬化M50NiL钢和M50钢制圆棒试样的硬度梯度、残余应力梯度以及组织结构，实测各自滚动接触疲劳寿命，并对比分析失效过程，探讨表层超硬化M50NiL钢的疲劳失效机理。结果表明：表层超硬化M50NiL钢失效机理回归赫兹理论，为典型的接触疲劳失效特征，接触疲劳寿命大幅提高；高的表面硬度和表面残余压应力，良好的组织结构，能够完全抑制表面起始裂纹的形成，是失效机理回归赫兹理论的主要原因。

表层超硬化；M50NiL钢；接触疲劳；失效机理

M50NiL钢是美国20世纪80年代研制的表层硬化型航空轴承齿轮用结构钢，渗碳、渗氮性能优良，可二次硬化；M50NiL钢在M50钢的基础上降碳加镍,大幅提高了断裂韧度和淬透性，使用温度达到300 ℃以上，具有良好的高温硬度和冲击韧性，综合力学性能优良，是目前国际通用的第二代航空轴承齿轮钢，在美国、欧盟等得到了普遍的应用[1-2]。

表层超硬化是特指渗碳钢在渗碳组织基础上，再进行复合渗氮处理，表面硬度达到高硬的一种热处理工艺。表层超硬化能极大地提高材料疲劳寿命。渗碳是为了提高材料的承载能力，减缓裂纹的扩展[3-4]，以抵抗更大的赫兹应力，进一步的渗氮能够减小表面摩擦系数，同时进一步提高近表面赫兹应力承载能力，提高接触疲劳性能。M50NiL钢经过渗碳热处理后，表面硬度可达60～64HRC，再经氮化处理，表面硬度高于70HRC，同时表层存在较高的残余压应力，整体性能达到超高强度，疲劳性能优良。

航空发动机主轴承是航空发动机的重要构件之一，长期在超高速、腐蚀、高温及其他恶劣工况下工作，因此很容易失效。滚动接触疲劳是航空发动机主轴承的主要失效模式[5-7]。接触疲劳失效具有低应力和无宏观变形等特征，具有较大的危险性，失效机理复杂，影响因素繁多，在许多问题上仍未获得明确认识。失效分析能够有效反推失效过程、阐述失效机理[8-9]。目前，我国航空发动机主轴承的制造主要选用M50钢；少量采用M50NiL钢，但M50NiL钢仅仅经过简单的渗碳处理，没有很好发掘其潜质，寿命很低，与国外差距较大。用表层超硬化M50NiL钢替代M50钢制造航空发动机主轴承是发展趋势。表层超硬化M50NiL钢的应用研究较少，特别是应用机理研究目前在国内是空白。本研究通过滚动接触疲劳实验，将表层超硬化M50NiL钢制圆棒与M50钢制圆棒的疲劳寿命进行比较，分析其长寿命的失效机理。

1 实验材料及方法

M50NiL钢为抚顺特钢生产，采用VIM+VAR双真空熔炼，锻轧开坯成材[2]，表层超硬化M50NiL钢棒是经过优化的渗碳、渗氮热处理工艺处理后的M50NiL圆棒。对比材料M50钢为进口材料。

金相浸蚀液为5 mL盐酸+96 mL酒精+1 g苦味酸溶液，浸蚀完后用大量清水冲洗干净并浸没在无水酒精中超声波清洗，取出用热风吹干。残余应力场采用电解剥层X射线法测定。滚道及剥落坑轮廓图用表面轮廓仪测定。

表层超硬化M50NiL钢制圆棒滚动接触疲劳测试在滚动疲劳试验机上完成，实验载荷2500 N，转速10000 r/min。圆棒试样尺寸如图1所示。

2 结果与分析

2.1实验结果

图2(a)为表层超硬化M50NiL钢维氏硬度梯度曲线，渗层由内往外，钢的硬度增加，在表面达到最高968HV，与M50钢的硬度720HV相比提高了248HV。图2(b)给出了表层超硬化M50NiL钢的残余应力场。最大值在亚表面，约为-370 MPa，随深度增加而减小，表层超硬化渗氮工艺影响残余应力深度约为0.85 mm，M50钢表层则几乎没有残余应力。图2(c)为渗层的金相照片，表层为叠加于渗碳层上的渗氮层，即超硬化层，大约100 μm，渗碳层的深度远大于渗氮层。

图3(a)为M50NiL超硬化层光学显微照片，超硬化层主要为隐晶马氏体和细密分布的白点，为了定性分析这些白点，用扫描电镜进一步放大截面试样(图3(b))，对图3(b)中黑圆圈中白点进行能谱点扫描，结果如图3(c)，碳的原子分数约为19%，氮的原子分数约为15%，考虑到点扫描的测量误差，可确定白点为碳(氮)化物。M50NiL超硬化层碳(氮)化物分布较密，呈细粒状，尺寸很小，且弥散分布。为了比较，图3(d)给出了M50光学显微照片，M50的碳化物粗大，呈聚集状分布。

表1为滚动接触疲劳实验数据。从表1可以看出，表层超硬化M50NiL钢疲劳寿命达到107循环周次以上，平均寿命是M50的4.6倍。

图4为表层超硬化M50NiL钢滚道和M50钢滚道失效过程照片，图4(a)～(c)为表层超硬化M50NiL不同周次滚道扫描电镜照片，图4(d)～(f)为M50NiL不同周次滚道扫描电镜照片。由图4可以看出，失效过程均为从早期的轻微犁沟磨损，到微剥落，最后出现主剥落坑。不同的是M50在104周次时即出现微剥落，106周次出现失效(失效判据为噪声信号报警)，主剥落坑较小；而表层超硬化M50NiL则在106周次时才出现微剥落，107周次出现失效，主剥落坑较大。

图5为分别实验104周次，106周次和107周次未失效区域滚道轮廓图。同周次比较，表层超硬化M50NiL钢较M50钢曲线光滑；无论是表层超硬化M50NiL钢还是M50钢，随周次的增加，曲线起伏增大。值得指出的是表层超硬化M50NiL钢106周次滚道比M50钢104周次滚道轮廓曲线光滑，粗糙度低(对应粗糙度Ra分别为0.075 μm和0.261 μm)。表2为表层超硬化M50NiL钢和M50钢接触疲劳试样滚道深度对比数据。无论是表层超硬化M50NiL钢还是M50钢，随着周次增加，滚道深度均增加。表层超硬化M50NiL钢106周次滚道比M50钢104周次滚道还要浅，表明其具有更好的耐磨性能。

表1 滚动接触疲劳实验数据Table 1 Test data of rolling contact fatigue

沿垂直滚动方向对表层超硬化M50NiL钢接触疲劳失效剥落坑(图6(a))依次测量七条轮廓曲线L1～L7，如图6(b)。由图6(b)可以看到，剥落坑底部较平坦，调整该图水平和垂直比例一致(见图6(a)中插图)，推测起始裂纹从坑的底部大致平行的向两边扩展，最后以几乎垂直的角度(约68°角)延伸到表面。从图6(a)还可获得剥落坑的深度，同样的方法测量出所有表层超硬化M50NiL钢和M50钢试样剥落坑深度，结果如表3所示。可以明显看出，表层超硬化M50NiL剥落坑深度160.4 μm比M50的51.5 μm明显深很多，表明裂纹萌生在表层中更深的部位。

图7为M50钢滚动接触疲劳主剥落坑和滚道高倍表面形貌照片。由图7可以看出，M50钢接触疲劳试样主剥落坑大小为约0.2 mm×0.5 mm，深度较浅。失效滚道上有大量的微剥落，同时还能见到扩展到表面的大量小裂纹。

图8为表层超硬化M50NiL钢滚动接触剥落坑和滚道高倍表面形貌照片，剥落坑大小约1.5 mm×0.9 mm(图8(a))，坑底(即真空扩展区)有反复挤压痕迹，剪切唇(瞬断区)则为撕裂状。由图8(b)可以看出，滚道上没有扩展到表面的小裂纹。

图9为表层超硬化M50NiL钢接触疲劳失效剥落坑局部放大图片，分别来自于图8(a)中A，B，C处，均可见裂纹扩展期形成的疲劳条带，为典型疲劳特征；疲劳条带走向自坑内往外，表明裂纹起始于亚表面，向四周扩展。

2.2分析讨论

材料的表面硬度可部分地反映材料塑性变形抗力和剪切强度。在一定的硬度范围内,接触疲劳抗力随硬度的升高而升高。表面硬度提高，接触疲劳寿命增强。良好的硬度场还可以提高承载能力，进一步提高接触疲劳寿命。

表2 滚动接触疲劳过程滚道深度Table 2 Raceway depth of rolling contact fatigue process

表3 滚动接触疲劳失效试样剥落坑深度Table 3 Depth of peeling pit on rolling contact fatigue failure specimen

高残余压应力可抵消部分外加载荷，明显提高接触疲劳寿命。

接触疲劳失效中，大块状、粗粒状碳(氮)化物容易引起局部应力集中，萌生裂纹，并沿碳(氮)化物晶界扩展，导致失效，因此，减小碳(氮)化物颗粒大小，增大其体积含量，并弥散分布，在不损失耐磨性的基础上，提高接触疲劳寿命。

相比较M50钢来说，表层超硬化M50NiL钢具有更高的表面硬度，更好的硬度场及残余压应力场，更细小、弥散的碳(氮)化物，理论上具有更高的接触疲劳寿命，这从实验结果得到了验证。

赫兹接触理论是弹性体接触变形与应力计算的基础和经典理论，是滚动接触疲劳普遍认可的失效机理。赫兹接触理论认为，接触表面下最大动态剪切应力，即裂纹诱导应力[10-11]，是促使轴承疲劳失效的主要诱因，当该处的金属塑性变形达到临界状态时，再增加塑性变形就有可能引起显微裂纹，即裂纹首先在最大动态剪切应力处生成，连接并贯穿聚集，并沿阻力最小途径扩展，最终与表面相连而形成剥落坑，使得构件失效。

赫兹接触理论用来表述失效概率公式如下：

(1)

式中：S为疲劳失效概率；τ0为最大动态切应力；Z0为最大动态切应力所在深度；c，e，h为常数。式(1)表明，最大动态切应力值越小，最大动态切应力所在深度越深，接触疲劳寿命越长。

按照赫兹接触理论，所有接触疲劳失效裂纹均起始于亚表面，裂纹起始深度即最大动态剪切应力的位置，主要与外加载荷有关；但主轴承失效统计发现，表面起始剥落多见，亚表面起始剥落少见。这是因为赫兹接触理论是建立在以下四个假设基础之上的：(1)材料是均质的；(2)接触物体只产生弹性变形，并服从虎克(Hooke)定律；(3)负荷垂直于接触表面，即接触表面完全光滑，不计及接触物体间的摩擦力；(4)接触面的尺寸与接触物体表面的曲率半径相比是很小的。也就是说赫兹理论与表面粗糙度、表面硬化层、残余应力场、材料纯度、加工缺陷及润滑等无关，是一个理想模型。

实际上，由于材料承载能力差、表面加工痕迹和亚表面夹杂等缺陷导致应力集中σ(拉应力)以及摩擦力F的存在(如图10所示)，最大赫兹剪切应力位置更接近于表面甚至移到表面，降低滚动接触疲劳寿命。通过优化材料的组织结构、残余应力场、表面硬度等，减小最大动态剪切应力值，提高最大动态切应力所在深度，使得接触状态更接近赫兹理论的理想状态，疲劳裂纹起始于亚表面，进而提高接触疲劳寿命。

经过以上研究表明，高的表面硬度和表面残余压应力，良好的组织结构，使得表层超硬化M50NiL钢能够完全抑制表面起始裂纹的形成，裂纹从亚表面起始，同时减小了最大动态剪切应力值，延长了裂纹起始寿命和扩展寿命，从而提高接触疲劳寿命，失效机理回归赫兹理论，这就是表层超硬化M50NiL钢的接触疲劳失效机理，也是制造长寿命主轴承的理论基础。

3 结论

(1)表层超硬化M50NiL钢106周次滚道比M50钢104周次滚道还要浅，粗糙度也小，表明其具有更强的承载能力。

(2)表层超硬化M50NiL钢失效机理回归赫兹理论，为典型的接触疲劳失效特征；接触疲劳寿命大幅提高，达到107周次以上，平均寿命是M50的4.6倍。

(3)高的表面硬度和表面残余压应力，良好的组织结构，能够完全抑制表面起始裂纹的形成，是失效机理回归赫兹理论的主要原因；回归赫兹理论是表层超硬化M50NiL钢的接触疲劳失效机理，也是制造长寿命主轴承的理论基础。

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(责任编辑：徐永祥)

FailureMechanismofContactFatigueofSurfaceSuper-hardenedM50NiLSteel

LUO Qinghong, ZHAO Zhenye, HE Ziqiang, LI Zhiming

(AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

Hardness gradient,residual stress gradient and the organization structure of surface super-hardened M50NiL steel roller and M50 steel roller were studied,the rolling contact fatigue life was measured,and the failure process was analyzed and compared by using surface profiler,Vickers hardness tester,X ray residual stress determinator,optical microscope,scanning electron microscope (SEM),rolling contact fatigue test machine and other equipment.The fatigue failure mechanism of surface super-hardened M50NiL steel was revealed.The results show that the fatigue failure mechanism of surface super-hardened M50Nil steel returns to the Hertz theory and shows typical contact fatigue characteristics.The high surface hardness,residual compressive stress and a good organization structure can completely inhibit the initiation of surface cracks;therefore,the failure mechanism is returned to the Hertz theory.

surface super-hardened ；M50NiL steel；contact fatigue；failure mechanism

10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000108

TG111.8;TG115.21

A

1005-5053(2017)06-0034-07

2017-06-30；

2017-09-26

973项目资助

罗庆洪(1974—)，男，博士，高级工程师，研究方向为齿轮轴承钢及抗疲劳制造，(E-mail) qhluo@sina.cn。