Cr4Mo4V轴承钢旋转弯曲疲劳寿命及疲劳裂纹萌生机理
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第 ４７ 卷Hale Waihona Puke Baidu
第７期
２０１９年７月 第１３４－１４３页
材 料 工 程
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．４７ Ｎｏ．７
Ｊｕｌ．２０１９ ｐｐ．１３４－１４３
犆狉４犕狅４犞 轴承钢旋转弯曲疲劳 寿命及疲劳裂纹萌生机理
Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｂｅｎｄｉｎｇｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅａｎｄｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｃｒ４Ｍｏ４Ｖｂｅａｒｉｎｇｓｔｅｅｌ
摘要：通过室温旋转弯曲疲劳实验研究 Ｃｒ４Ｍｏ４Ｖ 轴承钢旋 转 弯 曲 疲 劳 寿 命 和 疲 劳 裂 纹 萌 生 机 理。在 ＰＱ１６ 型 旋 转 弯 曲疲劳试验机上进行旋转弯曲疲劳实验，通过升降法 测 得 疲 劳 极 限 和 犛犖 曲 线，使 用 ＳＥＭ 对 疲 劳 试 样 断 口 进 行 观 察， 分析起裂源类型和裂纹扩展行为，通过缺陷所在位置的名义应 力 幅 与 测 得 缺 陷 疲 劳 极 限 强 度 的 比 值σ′／σｗ，ｄｅｆｅｃｔ分 析 了 缺 陷尺寸对疲劳寿命的影响。结果 表 明：Ｃｒ４Ｍｏ４Ｖ 轴 承 钢 的 安 全 疲 劳 极 限 为 １０１９ＭＰａ，Ｃｒ４Ｍｏ４Ｖ 轴 承 钢 犛犖 曲 线 数 据 呈下降趋势且分散性较大。断口观察表明，Ｃｒ４Ｍｏ４Ｖ 轴承钢起裂类型有５种，即近表面碳化 物 起 裂、近 表 面 非 金 属 夹 杂 物起裂、内部非金属夹杂物起裂和内部碳化物起裂。内部 起 裂 断 口 有 “鱼 眼”特 征；疲 劳 寿 命 超 过 １０７ 周 次，内 部 起 裂 源 碳化物周围形成 ＧＢＦ 区。Ｃｒ４Ｍｏ４Ｖ 轴承钢中碳化物在循环应力作用下发生破碎，破 碎 的 碳 化 物 加 大 了 裂 纹 扩 展 速 率。 使 用 关 键 碳 化 物 体 积 密 度 能 够 定 量 地 分 析 碳 化 物 尺 寸 对 近 表 面 起 裂 的 影 响 。σ′／σｗ，ｄｅｆｅｃｔ都 大 于 １，σ′／σｗ，ｄｅｆｅｃｔ越 大 疲 劳 寿 命 越短。 关 键 词 ：轴 承 钢 ；旋 转 弯 曲 疲 劳 ；碳 化 物 ；夹 杂 物 犱狅犻：１０．１１８６８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１４３８１．２０１７．０００２５６ 中 图 分 类 号 ：ＴＧ１１５．５７ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００１４３８１（２０１９）０７０１３４１０
郭 军１，２ ，杨 卯 生２ ，卢 德 宏３，李 新 宇２，３ （１ 北京科技大学 钢铁共性技术协同创新中心，北京 １０００８３；
２ 钢铁研究总院 特殊钢研究所，北京 １０００８１ ３ 昆明理工大学 材料科学与工程学院，昆明 ６５００９３） ＧＵＯＪｕｎ１，２，ＹＡＮＧ Ｍａｏｓｈｅｎｇ２，ＬＵ Ｄｅｈｏｎｇ３，ＬＩＸｉｎｙｕ２，３ （１ＣｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒｏｆＳｔｅｅｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ；２ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒＳｐｅｃｉａｌＳｔｅｅｌ， ＣｅｎｔｒａｌＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ；３Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ ＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ６５００９３，Ｃｈｉｎａ）
犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎａｌｂｅｎｄｉｎｇｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅａｎｄｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｃｒ４Ｍｏ４Ｖ ｂｅａｒｉｎｇｓｔｅｅｌ ｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓｏｆｒｏｔａｔｉｎｇ ｂｅｎｄｉｎｇｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔａｔｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｂｅｎｄｉｎｇｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｏｎａＰＱ１６ｒｏｔａｒｙｂｅｎｄｉｎｇｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｍａｃｈｉｎｅ．Ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅｌｉｍｉｔａｎｄ犛犖 ｃｕｒｖｅ ｗｅｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙｔｈｅｕｐｄｏｗｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｆａｔｉｇｕｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄｂｙＳＥＭ，ａｎｄｔｈｅｃｒａｃｋｉｎｉｔｉａｔｉｏｎｓｏｕｒｃｅｔｙｐｅａｎｄｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒ ｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｄｅｆｅｃｔｓｉｚｅｏｎｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅ ｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｂｙｔｈｅｒａｔｉｏσ′／σｗ，ｄｅｆｅｃｔ ｏｆｔｈｅ ｎｏｍｉｎａｌｓｔｒｅｓｓａｍｐｌｉｔｕｄｅａｔｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｆｅｃｔｔｏｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｕｌｔｉｍａｔｅｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅ ｄｅｆｅｃｔ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓａｆｅｔｙｆａｔｉｇｕｅｌｉｍｉｔｏｆＣｒ４Ｍｏ４Ｖｂｅａｒｉｎｇｓｔｅｅｌｉｓ１０１９ＭＰａ，ａｎｄｔｈｅ 犛犖 ｃｕｒｖｅｄａｔａｏｆＣｒ４Ｍｏ４Ｖ ｂｅａｒｉｎｇｓｔｅｅｌｓｈｏｗｓａｄｏｗｎｗａｒｄｔｒｅｎｄａｎｄａｌａｒｇｅｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ．Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｒｅａｒｅｆｉｖｅｔｙｐｅｓｏｆｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ，ｎａｍｅｌｙｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｅｃｔｓｌｅａｄｉｎｇｔｏｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ， ｎｅａｒｓｕｒｆａｃｅｃａｒｂｉｄｅｓｌｅａｄｉｎｇｔｏｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ，ｎｅａｒｓｕｒｆａｃｅｎｏｎｍｅｔａｌｌｉｃｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｌｅａｄｉｎｇｔｏｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ， ｉｎｔｅｒｎａｌｎｏｎｍｅｔａｌｌｉｃｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｌｅａｄｉｎｇｔｏｉｎｉｔｉａｔｉｏｎａｎｄｉｎｔｅｒｎａｌｃａｒｂｉｄｅｓｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｅｒｎａｌｃｒａｃｋ ｆｒａｃｔｕｒｅｓｈａｖｅｆｉｓｈｅｙｅｆｅａｔｕｒｅｓ．Ｗｈｅｎｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｅｘｃｅｅｄｓ１０７ ｃｙｃｌｅｓ，ａｇｒａｎｕｌａｒｂｒｉｇｈｔａｒｅａ （ＧＢＦ）ｉｓｏｂｓｅｒｖｅｄｉｎｔｈｅｖｉｃｉｎｉｔｙａｒｏｕｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｉｎｉｔｉａｔｉｏｎｓｏｕｒｃｅｃａｒｂｉｄｅｓ．Ｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｆｒａｃｔｕｒｅ
第７期
２０１９年７月 第１３４－１４３页
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Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｂｅｎｄｉｎｇｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅａｎｄｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｃｒ４Ｍｏ４Ｖｂｅａｒｉｎｇｓｔｅｅｌ
摘要：通过室温旋转弯曲疲劳实验研究 Ｃｒ４Ｍｏ４Ｖ 轴承钢旋 转 弯 曲 疲 劳 寿 命 和 疲 劳 裂 纹 萌 生 机 理。在 ＰＱ１６ 型 旋 转 弯 曲疲劳试验机上进行旋转弯曲疲劳实验，通过升降法 测 得 疲 劳 极 限 和 犛犖 曲 线，使 用 ＳＥＭ 对 疲 劳 试 样 断 口 进 行 观 察， 分析起裂源类型和裂纹扩展行为，通过缺陷所在位置的名义应 力 幅 与 测 得 缺 陷 疲 劳 极 限 强 度 的 比 值σ′／σｗ，ｄｅｆｅｃｔ分 析 了 缺 陷尺寸对疲劳寿命的影响。结果 表 明：Ｃｒ４Ｍｏ４Ｖ 轴 承 钢 的 安 全 疲 劳 极 限 为 １０１９ＭＰａ，Ｃｒ４Ｍｏ４Ｖ 轴 承 钢 犛犖 曲 线 数 据 呈下降趋势且分散性较大。断口观察表明，Ｃｒ４Ｍｏ４Ｖ 轴承钢起裂类型有５种，即近表面碳化 物 起 裂、近 表 面 非 金 属 夹 杂 物起裂、内部非金属夹杂物起裂和内部碳化物起裂。内部 起 裂 断 口 有 “鱼 眼”特 征；疲 劳 寿 命 超 过 １０７ 周 次，内 部 起 裂 源 碳化物周围形成 ＧＢＦ 区。Ｃｒ４Ｍｏ４Ｖ 轴承钢中碳化物在循环应力作用下发生破碎，破 碎 的 碳 化 物 加 大 了 裂 纹 扩 展 速 率。 使 用 关 键 碳 化 物 体 积 密 度 能 够 定 量 地 分 析 碳 化 物 尺 寸 对 近 表 面 起 裂 的 影 响 。σ′／σｗ，ｄｅｆｅｃｔ都 大 于 １，σ′／σｗ，ｄｅｆｅｃｔ越 大 疲 劳 寿 命 越短。 关 键 词 ：轴 承 钢 ；旋 转 弯 曲 疲 劳 ；碳 化 物 ；夹 杂 物 犱狅犻：１０．１１８６８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１４３８１．２０１７．０００２５６ 中 图 分 类 号 ：ＴＧ１１５．５７ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００１４３８１（２０１９）０７０１３４１０
郭 军１，２ ，杨 卯 生２ ，卢 德 宏３，李 新 宇２，３ （１ 北京科技大学 钢铁共性技术协同创新中心，北京 １０００８３；
２ 钢铁研究总院 特殊钢研究所，北京 １０００８１ ３ 昆明理工大学 材料科学与工程学院，昆明 ６５００９３） ＧＵＯＪｕｎ１，２，ＹＡＮＧ Ｍａｏｓｈｅｎｇ２，ＬＵ Ｄｅｈｏｎｇ３，ＬＩＸｉｎｙｕ２，３ （１ＣｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒｏｆＳｔｅｅｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ；２ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒＳｐｅｃｉａｌＳｔｅｅｌ， ＣｅｎｔｒａｌＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ；３Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ ＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ６５００９３，Ｃｈｉｎａ）
犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎａｌｂｅｎｄｉｎｇｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅａｎｄｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｃｒ４Ｍｏ４Ｖ ｂｅａｒｉｎｇｓｔｅｅｌ ｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓｏｆｒｏｔａｔｉｎｇ ｂｅｎｄｉｎｇｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔａｔｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｂｅｎｄｉｎｇｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｏｎａＰＱ１６ｒｏｔａｒｙｂｅｎｄｉｎｇｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｍａｃｈｉｎｅ．Ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅｌｉｍｉｔａｎｄ犛犖 ｃｕｒｖｅ ｗｅｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙｔｈｅｕｐｄｏｗｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｆａｔｉｇｕｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄｂｙＳＥＭ，ａｎｄｔｈｅｃｒａｃｋｉｎｉｔｉａｔｉｏｎｓｏｕｒｃｅｔｙｐｅａｎｄｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒ ｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｄｅｆｅｃｔｓｉｚｅｏｎｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅ ｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｂｙｔｈｅｒａｔｉｏσ′／σｗ，ｄｅｆｅｃｔ ｏｆｔｈｅ ｎｏｍｉｎａｌｓｔｒｅｓｓａｍｐｌｉｔｕｄｅａｔｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｆｅｃｔｔｏｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｕｌｔｉｍａｔｅｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅ ｄｅｆｅｃｔ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓａｆｅｔｙｆａｔｉｇｕｅｌｉｍｉｔｏｆＣｒ４Ｍｏ４Ｖｂｅａｒｉｎｇｓｔｅｅｌｉｓ１０１９ＭＰａ，ａｎｄｔｈｅ 犛犖 ｃｕｒｖｅｄａｔａｏｆＣｒ４Ｍｏ４Ｖ ｂｅａｒｉｎｇｓｔｅｅｌｓｈｏｗｓａｄｏｗｎｗａｒｄｔｒｅｎｄａｎｄａｌａｒｇｅｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ．Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｒｅａｒｅｆｉｖｅｔｙｐｅｓｏｆｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ，ｎａｍｅｌｙｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｅｃｔｓｌｅａｄｉｎｇｔｏｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ， ｎｅａｒｓｕｒｆａｃｅｃａｒｂｉｄｅｓｌｅａｄｉｎｇｔｏｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ，ｎｅａｒｓｕｒｆａｃｅｎｏｎｍｅｔａｌｌｉｃｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｌｅａｄｉｎｇｔｏｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ， ｉｎｔｅｒｎａｌｎｏｎｍｅｔａｌｌｉｃｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｌｅａｄｉｎｇｔｏｉｎｉｔｉａｔｉｏｎａｎｄｉｎｔｅｒｎａｌｃａｒｂｉｄｅｓｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｅｒｎａｌｃｒａｃｋ ｆｒａｃｔｕｒｅｓｈａｖｅｆｉｓｈｅｙｅｆｅａｔｕｒｅｓ．Ｗｈｅｎｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｅｘｃｅｅｄｓ１０７ ｃｙｃｌｅｓ，ａｇｒａｎｕｌａｒｂｒｉｇｈｔａｒｅａ （ＧＢＦ）ｉｓｏｂｓｅｒｖｅｄｉｎｔｈｅｖｉｃｉｎｉｔｙａｒｏｕｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｉｎｉｔｉａｔｉｏｎｓｏｕｒｃｅｃａｒｂｉｄｅｓ．Ｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｆｒａｃｔｕｒｅ