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措施。

1 斷裂實例

在鐵道機車車輛制造中,常用40Cr鋼加工內燃機的各種齒輪、連桿、軸和螺栓等,隨著鐵路運輸速度的提高,這些零部件的實際疲勞工作壽命已超過107周次,而達到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成疲勞核心區(qū)。對不同應力幅、105周次~109周次范圍內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。疲勞裂紋的擴展分成兩個階段 , 均以穿晶斷裂為主。第一階段擴展區(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成 , 在第一階段擴展區(qū)內未觀察到疲勞輝紋形貌。在第二階段擴展區(qū)內存在與裂紋擴展方向一致的放射線條第二階段擴展區(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展方向垂直。

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

3 斷裂原因

軸件屬于扭轉疲勞斷裂,裂紋先總想疲勞擴展在以與軸向呈一定角度的斜方向擴展,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,外面淬硬層為壓應力區(qū),內部非淬火層為張應力區(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),造成其橫向疲勞強度偏低,是導致軸桿發(fā)生扭轉疲勞斷裂的基本原因。

4 斷裂機理

斷裂分為兩個過程,疲勞裂紋的萌生和疲勞裂紋的擴展。在循環(huán)載荷的作用下,循環(huán)應力未超過材料屈服強度,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展,第一階段是沿著最大切應力方向向內擴展,隨即疲勞裂紋便進入第二階段,沿垂直拉應力方向向前擴展形成主裂紋,直至最后形成剪切唇為止。

5 改善途徑

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

(2)冷擠壓強化:冷擠壓使表面產(chǎn)生殘余壓應力,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:激光表面處理技術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化作用是改善高周疲勞性能的主要機制。

66 結論

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疲勞斷裂,,斷口分為疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)。通過噴丸強化,激光表面處理技術等技術可以強化零件表面,提高疲勞壽命。

開放分享：優(yōu)質有限元技術文章,助你自學成才