40Cr轴承疲劳断裂分析

　　摘　要：对40Cr钢轴承的断口进行宏观和微观分析，得知其为疲劳断裂，并分析其断裂原因以及提出改进措施。
　　关键词：疲劳断裂；断口特征；改善途径
　　1　断裂实例
　　在铁道机车车辆制造中，常用40Cr钢加工内燃机的各种齿轮、连杆、轴和螺栓等，随着铁路运输速度的提高，这些零部件的实际疲劳工作寿命已超过10⁷周次，而达到10⁹周次~10¹⁰周次，在使用过程中可能会发生疲劳断裂。经正火后表面感应加热淬火的40Cr试样发生断裂，观察其断口，并在扫描电子显微镜下进行围观形貌分析。 　　2　断口特征分析
　　在扫描电镜下低倍宏观断口形貌，断口分为疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区。 　　下图为裂纹源区与裂纹阶段扩展区显微形貌，疲劳裂纹在试样近表面的材料缺陷处萌生，然后呈扇形向四周扩展。在裂纹萌生缺陷周围存在一个扇形解理区，其断面平整，与裂纹萌生缺陷共同构成疲劳核心区。对不同应力幅、10⁵周次～10⁹周次^[1]范围内断裂的试样断口观察发现，40Cr钢疲劳裂纹均在试样表面或近表面材料缺陷处萌生。疲劳裂纹的扩展分成两个阶段，均以穿晶断裂为主^[2]。阶段扩展区断面微观形貌粗糙，由众多解理断面与大小不一的凹坑构成，在阶段扩展区内未观察到疲劳辉纹形貌。在第二阶段扩展区内存在与裂纹扩展方向一致的放射线条第二阶段扩展区断口微观形貌为疲劳辉纹+微坑，在微坑中可观察到第二相粒子，局部区域可观察到二次裂纹。疲劳辉纹和二次裂纹与疲劳裂纹扩展方向垂直。
　　瞬断区是裂纹失稳扩展形成的区域，在疲劳亚临界扩展阶段，随影李寻欢增加，裂纹不断增长当增加到林杰尺寸是，裂纹就失稳快速扩展，导致机件瞬时断裂。该区的断口比疲劳区粗糙，断口呈结晶状，边缘平面应力区有剪切唇存在。 　　3　断裂原因
　　轴件属于扭转疲劳断裂，裂纹先总想疲劳扩展在以与轴向呈一定角度的斜方向扩展，断口分析看出，纵断面平坦区为剪切疲劳断口，金相检验及显微维氏硬度分析表明，轴杆材料中存在超尺寸链状和球状脆性夹杂物，及较为严重的带状偏析组织，而且淬火过渡区组织硬度变化较明锐，这些因素均可造成轴杆材料横向力学性能降低，这是造成轴杆发生早期疲劳断裂而且疲劳过程裂纹沿纵方向扩展距离较长的重要原因。裂纹剖面分析看出，纵向疲劳裂纹处在径向面，外面淬硬层为压应力区，内部非淬火层为张应力区^[3]。
　　因此，由于轴杆原材料因素（超尺寸脆性夹杂物及带状组织）和热处理因素（淬火过渡区组织硬度梯度较大），造成其横向疲劳强度偏低，是导致轴杆发生扭转疲劳断裂的基本原因。
　　4　断裂机理
　　断裂分为两个过程，疲劳裂纹的萌生和疲劳裂纹的扩展。在循环载荷的作用下，循环应力未超过材料屈服强度，在表面形成循环滑移带，循环滑移带集中在某些局部区域，随着家在循环次数的增加，循环滑移带会不断的加宽。经过一定循环后引发微裂纹，疲劳裂纹萌生后便开始扩展，阶段是沿着Z大切应力方向向内扩展，随即疲劳裂纹便进入第二阶段，沿垂直拉应力方向向前扩展形成主裂纹，直至Z后形成剪切唇为止。
　　5　改善途径
　　（1）喷丸强化：利用高能喷丸技术对40Cr进行强化处理，时期硬度和疲劳寿命均提高数倍^[4]。
　　（2）冷挤压强化：冷挤压使表面产生残余压应力，高的位错密度，可以显著提高疲劳寿命。
　　（3）激光表面处理技术：激光表面处理技术似的零件的寿命大大提高。
　　（4）离子注入：各种离子注入后使得疲劳寿命显著提高，注入所引起的辐照缺陷、过饱和固溶体以及金属间化合物对注入层的强化作用是改善高周疲劳性能的主要机制^[5]。
　　6　结论
　　40Cr钢轴承的断裂为疲劳断裂，由于原材料的因素和热处理的因素而造成了扭转疲劳断裂，，断口分为疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区。通过喷丸强化，激光表面处理技术等技术可以强化零件表面，提高疲劳寿命。
　　参考文献
　　[1] Bathias C. There is no Infinite Fatigue Life in Metallic Materials [J ]. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Struc 2ture, 1999 , 22 (7) : 559.
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　　[5] 王红卫，杨大智等. 银、铬、铝离子注入多晶纯铁的高周疲劳性能研究[J].. 上海有色金属，1994,10(15): 277~280.