磨石研磨加工层对高碳铬轴承钢超长寿命疲劳行为的影响

磨石研磨加工层对高碳铬轴承钢超长寿命疲劳行为的影响

0聚碳铬轴承钢的制备许多机械和结构，如铁路车轴和车轮、海洋结构、桥梁、发动机附件和轴承，应承受1010的压力。作者对表面经磨石研磨加工及喷丸处理的高碳铬轴承钢(日本工业标准编号:SUJ2)的超长寿命疲劳行为进行了系列研究1试验材料和方法1.1研磨织物的残余应力疲劳试验材料是高碳铬轴承钢(日本工业标准编号:SUJ2),其化学成分质量分数是C1.01%、Si0.23%、Mn0.36%、Cr1.45%、Cu0.06%、Ni0.04%、Mo0.02%、P0.012%、S0.007%。试样的形状及尺寸如图1所示,它是最小断面直径3mm的砂漏形试样,最小断面处弹性应力集中系数K为了研究研磨加工层对超长寿命疲劳行为的影响,在疲劳试验前,分别除去了部分和全部磨石研磨试样的表面加工层,具体方法如下所述。(1)砂纸研磨:使用2000#砂纸除去6μm厚研磨加工层,该试样叫做砂纸研磨试样。(2)电解研磨:对砂纸研磨试样的表面,使用电解研磨方法除去20μm厚的研磨加工层,该试样叫做电解研磨试样。这里,电解研磨液是醋酸、高氯酸和蒸馏水的混合液(体积比14:5:1),液温273～275K,研磨电压34V。图2给出了磨石、砂纸和电解研磨试样在试验前的表面鸟瞰观察结果。如图2所示,磨石研磨试样表面粗糙程度较大,通过实施砂纸研磨和电解研磨,试样表面粗糙度逐渐下降。图3给出了磨石、砂纸和电解研磨试样表面粗糙度曲线。下表给出了以0.8mm为基准长度,经过6次测量得到各试样的轮廓最大高度R图4给出了使用X射线测得的磨石、砂纸和电解研磨试样沿试样深度方向的残余应力分布。这里,残余应力的测定条件是使用Cr-Kα(Fe(211面),在40kV管电压、40mA管电流、100μm视准仪直径的条件下,利用位置灵敏正数计数管(Positionsensitiveproportionalcounter,PSPC)型检出器的sin图5给出了磨石、砂纸和电解研磨试样沿试样深度方向的维氏硬度分布。磨石研磨试样表面硬度是910HV,比中心部的硬度750HV高21.7%,随着表面层的除去,表面附近的硬度逐渐下降,砂纸研磨试样的表面硬度是805HV,电解研磨试样表面硬度与试样内部的硬度相同。从图4、5可以看出,砂纸研磨除去了磨石研磨试样的一部分表面硬化层和一部分表面层残余应力;电解研磨全部除去了磨石研磨试样的表面硬化层和表面层残余应力。1.2测试方法疲劳试验使用了四连式悬臂梁型旋转弯曲疲劳试验机2试验结果2.1电解研磨试样表面破坏模式及疲劳强度图6给出了砂纸和电解研磨试样的S-N曲线,为了与磨石研磨试样的结果进行比较,将磨石研磨试样的S-N曲线(不含应力一寿命数据)也并入图中表示。如图6所示,砂纸研磨试样的S-N曲线表现为阶梯下降形状;其表面破坏模式(图中用电解研磨试样的S—N曲线与砂纸研磨的同样,表现为阶梯下降形状;其表面破坏模式(图中用▽符号表示)的疲劳强度和内部破坏模式(图6中用▼(有鱼眼)和电解研磨试样表面破坏模式的疲劳强度和疲劳极限低于砂纸研磨试样,是由于电解研磨完全除去了试样表面层的压缩残余应力引起的;电解研磨试样的表面破坏模式的疲劳强度和疲劳极限与磨石研磨试样的几乎相同,是由于试样表面粗糙度的降低引起的疲劳强度的提高和表面压缩残余应力的除去引起的疲劳强度的降低,发生了相互抵消造成的。上面三种试样的内部破坏模式的疲劳强度几乎相同,这说明内部破坏模式的疲劳强度不受研磨加工层的影响。2.2裂纹萌发位置砂纸和电解研磨试样的内部裂纹均萌生于非金属夹杂物,两种试样的破坏特征相同。图7给出了电解研磨试样内部裂纹萌生位置的SEM观察图例。从图7a可以看到,裂纹萌生位置周围存在鱼眼。图7b是图7a所示裂纹萌生位置的放大观察图,可以看到萌生裂纹的非金属夹杂物周围有一个与通常平坦的疲劳裂纹不同的白色粒状粗糙区域(图中白圈圈起的部分),即“白区”,作者在文献图8给出了砂纸和电解研磨试样的表面裂纹萌生位置及其附近的观察图例。从图8a(σ2.3砂纸、电解和磨石研磨试样萌发缺陷图9给出了砂纸、电解和磨石研磨试样的萌生内部裂纹的夹杂物的深度(从试样表面到夹杂物的中心距离)d图10给出了砂纸、电解和磨石研磨试样萌生裂纹的夹杂物的尺寸参数图11给出了砂纸、电解和磨石研磨试样萌生内部裂纹的夹杂物周围的白区(GBF)的尺寸参数3讨论3.1残余应力与疲劳磨石研磨试样表面裂纹的萌生受研磨伤痕的影响。对磨石研磨试样实施砂纸和电解研磨后,由于研磨伤痕被除去,其表面裂纹均萌生于夹杂物处。砂纸和电解研磨试样的表面破坏模式的疲劳强度的差异,可以认为是表面残余应力的影响。下面就残余应力对表面破坏模式的疲劳极限的影响进行讨论。通常,对于延性较低的材料承受平均应力的作用时,可以采用修正Goodman图进行疲劳极限的评估。图12给出了使用表面破坏模式疲劳极限整理的砂纸和电解研磨试样的修正Goodman图。如图12所示,砂纸和电解研磨试样疲劳极限可以很好地使用该图整理。另外,喷丸处理后经砂纸研磨除去20μm的表面层的试样3.2缺陷表面裂纹的测定由于砂纸和电解研磨试样表面和内部破坏模式的裂纹均萌生于夹杂物,因此本节使用第2.3节求出的夹杂物的尺寸参数,代入村上敬宜对于表面破坏模式对于内部破坏模式式(1)中的σ如图13所示,表面裂纹萌生位置的ΔK3.3表面破坏模式的影响通常对于承受高周疲劳载荷的机械和结构的疲劳设计是以疲劳极限作为基准考虑的。上面的试验结果表明,试验材料在10图14给出了基于式(3)的砂纸、电解和磨石研磨试样疲劳极限的推定结果。如图14所示,裂纹萌生位置处的应力σ(1)通过电解研磨除去试样的表面粗糙度、残余应力和表面硬化层后,得到的S-N曲线由表面破坏模式和内部破坏模式的二条组成,其形状表现为阶梯下降型;通过砂纸研磨除去试样表面的粗糙度、部分残余应力和部分硬化层后,得到的S-N曲线形状与电解研磨试样的相同。(2)砂纸研磨试样的表面破坏模式的疲劳极限最高,是电解研磨的1.11倍,磨石研磨的1.20倍。(3)部分或全部除去磨石