40Cr軸承疲勞斷裂分析

2016-11-03 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

對40Cr鋼軸承的斷口進(jìn)行宏觀和微觀分析,得知其為疲勞斷裂,并分析其斷裂原因以及提出改進(jìn)措施。

1 斷裂實(shí)例

在鐵道機(jī)車車輛制造中,常用40Cr鋼加工內(nèi)燃機(jī)的各種齒輪、連桿、軸和螺栓等,隨著鐵路運(yùn)輸速度的提高,這些零部件的實(shí)際疲勞工作壽命已超過107周次,而達(dá)到109周次~1010周次,在使用過程中可能會發(fā)生疲勞斷裂。經(jīng)正火后表面感應(yīng)加熱淬火的40Cr試樣發(fā)生斷裂,觀察其斷口,并在掃描電子顯微鏡下進(jìn)行圍觀形貌分析。

2 斷口特征分析

在掃描電鏡下低倍宏觀斷口形貌 , 斷口分為疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)。

下圖為裂紋源區(qū)與裂紋第一階段擴(kuò)展區(qū)顯微形貌 , 疲勞裂紋在試樣近表面的材料缺陷處萌生 ,然后呈扇形向四周擴(kuò)展。在裂紋萌生缺陷周圍存在一個扇形解理區(qū) ,其斷面平整 , 與裂紋萌生缺陷共同構(gòu)成疲勞核心區(qū)。對不同應(yīng)力幅、105周次~109周次范圍內(nèi)斷裂的試樣斷口觀察發(fā)現(xiàn) , 40Cr 鋼疲勞裂紋均在試樣表面或近表面材料缺陷處萌生。疲勞裂紋的擴(kuò)展分成兩個階段 , 均以穿晶斷裂為主。第一階段擴(kuò)展區(qū)斷面微觀形貌粗糙 , 由眾多解理斷面與大小不一的凹坑構(gòu)成 , 在第一階段擴(kuò)展區(qū)內(nèi)未觀察到疲勞輝紋形貌。在第二階段擴(kuò)展區(qū)內(nèi)存在與裂紋擴(kuò)展方向一致的放射線條第二階段擴(kuò)展區(qū)斷口微觀形貌為疲勞輝紋+微坑 , 在微坑中可觀察到第二相粒子 , 局部區(qū)域可觀察到二次裂紋。疲勞輝紋和二次裂紋與疲勞裂紋擴(kuò)展方向垂直。

瞬斷區(qū)是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域,在疲勞亞臨界擴(kuò)展階段,隨影李尋歡增加,裂紋不斷增長當(dāng)增加到林杰尺寸是,裂紋就失穩(wěn)快速擴(kuò)展,導(dǎo)致機(jī)件瞬時斷裂。該區(qū)的斷口比疲勞區(qū)粗糙,斷口呈結(jié)晶狀,邊緣平面應(yīng)力區(qū)有剪切唇存在。

3 斷裂原因

軸件屬于扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂,裂紋先總想疲勞擴(kuò)展在以與軸向呈一定角度的斜方向擴(kuò)展,斷口分析看出,縱斷面平坦區(qū)為剪切疲勞斷口,金相檢驗(yàn)及顯微維氏硬度分析表明,軸桿材料中存在超尺寸鏈狀和球狀脆性夾雜物,及較為嚴(yán)重的帶狀偏析組織,而且淬火過渡區(qū)組織硬度變化較明銳,這些因素均可造成軸桿材料橫向力學(xué)性能降低,這是造成軸桿發(fā)生早期疲勞斷裂而且疲勞過程裂紋沿縱方向擴(kuò)展距離較長的重要原因。裂紋剖面分析看出,縱向疲勞裂紋處在徑向面,外面淬硬層為壓應(yīng)力區(qū),內(nèi)部非淬火層為張應(yīng)力區(qū)。

因此,由于軸桿原材料因素(超尺寸脆性夾雜物及帶狀組織)和熱處理因素(淬火過渡區(qū)組織硬度梯度較大),造成其橫向疲勞強(qiáng)度偏低,是導(dǎo)致軸桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂的基本原因。

4 斷裂機(jī)理

斷裂分為兩個過程,疲勞裂紋的萌生和疲勞裂紋的擴(kuò)展。在循環(huán)載荷的作用下,循環(huán)應(yīng)力未超過材料屈服強(qiáng)度,在表面形成循環(huán)滑移帶,循環(huán)滑移帶集中在某些局部區(qū)域,隨著家在循環(huán)次數(shù)的增加,循環(huán)滑移帶會不斷的加寬。經(jīng)過一定循環(huán)后引發(fā)微裂紋,疲勞裂紋萌生后便開始擴(kuò)展,第一階段是沿著最大切應(yīng)力方向向內(nèi)擴(kuò)展,隨即疲勞裂紋便進(jìn)入第二階段,沿垂直拉應(yīng)力方向向前擴(kuò)展形成主裂紋,直至最后形成剪切唇為止。

5 改善途徑

(1)噴丸強(qiáng)化:利用高能噴丸技術(shù)對40Cr進(jìn)行強(qiáng)化處理,時期硬度和疲勞壽命均提高數(shù)倍。

(2)冷擠壓強(qiáng)化:冷擠壓使表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,高的位錯密度,可以顯著提高疲勞壽命。

(3)激光表面處理技術(shù):激光表面處理技術(shù)似的零件的壽命大大提高。

(4)離子注入:各種離子注入后使得疲勞壽命顯著提高,注入所引起的輻照缺陷、過飽和固溶體以及金屬間化合物對注入層的強(qiáng)化作用是改善高周疲勞性能的主要機(jī)制。

66 結(jié)論

40Cr鋼軸承的斷裂為疲勞斷裂,由于原材料的因素和熱處理的因素而造成了扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂,,斷口分為疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)。通過噴丸強(qiáng)化,激光表面處理技術(shù)等技術(shù)可以強(qiáng)化零件表面,提高疲勞壽命。

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