表层超硬化M50NiL钢接触疲劳失效机理

发布时间：2019-10-25 15:55

【摘要】：应用表面轮廓仪、维氏硬度计、残余应力X射线测定仪、光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、滚动接触疲劳试验机等,对比研究表层超硬化M50NiL钢和M50钢制圆棒试样的硬度梯度、残余应力梯度以及组织结构,实测各自滚动接触疲劳寿命,并对比分析失效过程,探讨表层超硬化M50NiL钢的疲劳失效机理。结果表明:表层超硬化M50NiL钢失效机理回归赫兹理论,为典型的接触疲劳失效特征,接触疲劳寿命大幅提高;高的表面硬度和表面残余压应力,良好的组织结构,能够完全抑制表面起始裂纹的形成,是失效机理回归赫兹理论的主要原因。
【图文】：

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第6期表层超硬化M50NiL钢接触疲劳失效机理图1滚动接触疲劳试件示意图Fig．1Diagramofrollingcontactfatiguetestspecimen2结果与分析2．1实验结果图2(a)为表层超硬化M50NiL钢维氏硬度梯度曲线，渗层由内往外，钢的硬度增加，在表面达到最高968HV，与M50钢的硬度720HV相比提高了248HV。图2(b)给出了表层超硬化M50NiL钢的残余应力常最大值在亚表面，约为-370MPa，随深度增加而减小，表层超硬化渗氮工艺影响残余应力深度约为0．85mm，M50钢表层则几乎没有残余应力。图2(c)为渗层的金相照片，表层为叠加于渗碳层上的渗氮层，即超硬化层，大约100μm，渗碳层的深度远大于渗氮层。图3(a)为M50NiL超硬化层光学显微照片，超硬化层主要为隐晶马氏体和细密分布的白点，为了定性分析这些白点，用扫描电镜进一步放大截面试样(图3(b))，对图3(b)中黑圆圈中白点进行能谱点扫描，结果如图3(c)，碳的原子分数约为19%，氮的原子分数约为15%，考虑到点扫描的测量误差，可确定白点为碳(氮)化物。M50NiL超硬化层碳(氮)化物分布较密，呈细粒状，尺寸很小，且弥散分布。为了比较，图3(d)给出了M50光学显微照片，M50的碳化物粗大，呈聚集状分布。表1为滚动接触疲劳实验数据。从表1可以看出，表层超硬化M50NiL钢疲劳寿命达到107循环周次以上，平均寿命是M50的4．6倍。图4为表层超硬化M50NiL钢滚道和M50钢滚道失效过程照片，图4(a)～(c)为表层超硬化M50NiL不同周次滚道扫描电镜照片，图4(d)～(f)为M50NiL不同周次滚道扫描电镜照片。由图4可以看出，失效过程均为从早期的轻微犁沟磨损，到微剥落，最后出现主剥落坑。不同的是M50在104周次时即出现微剥落，106周次出现失效(失效判据为图2表层超硬化M50NiL(a)硬度梯度;(b)残余应力场;

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第6期表层超硬化M50NiL钢接触疲劳失效机理图1滚动接触疲劳试件示意图Fig．1Diagramofrollingcontactfatiguetestspecimen2结果与分析2．1实验结果图2(a)为表层超硬化M50NiL钢维氏硬度梯度曲线，渗层由内往外，钢的硬度增加，在表面达到最高968HV，与M50钢的硬度720HV相比提高了248HV。图2(b)给出了表层超硬化M50NiL钢的残余应力常最大值在亚表面，约为-370MPa，随深度增加而减小，表层超硬化渗氮工艺影响残余应力深度约为0．85mm，M50钢表层则几乎没有残余应力。图2(c)为渗层的金相照片，表层为叠加于渗碳层上的渗氮层，即超硬化层，大约100μm，渗碳层的深度远大于渗氮层。图3(a)为M50NiL超硬化层光学显微照片，超硬化层主要为隐晶马氏体和细密分布的白点，为了定性分析这些白点，用扫描电镜进一步放大截面试样(图3(b))，对图3(b)中黑圆圈中白点进行能谱点扫描，结果如图3(c)，碳的原子分数约为19%，氮的原子分数约为15%，考虑到点扫描的测量误差，可确定白点为碳(氮)化物。M50NiL超硬化层碳(氮)化物分布较密，呈细粒状，，尺寸很小，且弥散分布。为了比较，图3(d)给出了M50光学显微照片，M50的碳化物粗大，呈聚集状分布。表1为滚动接触疲劳实验数据。从表1可以看出，表层超硬化M50NiL钢疲劳寿命达到107循环周次以上，平均寿命是M50的4．6倍。图4为表层超硬化M50NiL钢滚道和M50钢滚道失效过程照片，图4(a)～(c)为表层超硬化M50NiL不同周次滚道扫描电镜照片，图4(d)～(f)为M50NiL不同周次滚道扫描电镜照片。由图4可以看出，失效过程均为从早期的轻微犁沟磨损，到微剥落，最后出现主剥落坑。不同的是M50在104周次时即出现微剥落，106周次出现失效(失效判据为图2表层超硬化M50NiL(a)硬度梯度;(b)残余应力场;
【作者单位】：中国航发北京航空材料研究院;
【基金】：973项目资助
【分类号】：TG142.12

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