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1、渗碳 M50NiL 钢磨削表面完整性特征及疲劳失效机理 娄艳芝 李春志 李旭东 谢孝昌 赵振业 中国航发北京航空材料研究院 摘 要： 用光学显微镜、扫描电子显微镜 (SEM) 、原子力显微镜 (AFM) 、显微硬度计、残余应力测定仪, 分析研究渗碳 M50NiL 钢普通磨削和精密磨削两种工艺的表面完整性特征, 通过旋转弯曲疲劳实验实测两种试样的疲劳性能, 并对疲劳实验结果进行模拟分析。结果表明:在不考虑表面加工缺陷的理想情况下, 渗碳M50NiL 钢旋转弯曲疲劳裂纹在亚表面起源;普通磨削产生的表面应力集中, 将疲劳源从亚表面移至表面;精密磨削通过优化磨削工艺改善了表面变质层特征, 有效抑制了加
2、工表面应力集中敏感, 将疲劳源从表面回归至亚表面;旋转弯曲疲劳寿命最高可提高 30 倍, 平均提高 15 倍。关键词： M50NiL 钢; 磨削; 表面完整性; 疲劳; 失效机理; 作者简介：娄艳芝 (1974) , 女, 博士, 高级工程师, 主要从事金属材料工艺、组织及性能研究, (E-mail) 。收稿日期：2017-07-18基金：973 项目资助Surface Integrity Characteristics and Fatigue Failure Mechanism of Carburized M50NiL SteelLOU Yanzhi LI Chunzhi LI Xudong
3、 XIE Xiaochang ZHAO Zhenye AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials; Abstract： The surface integrity of carburized M50NiL steel was studied by optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM) , atomic force microscopy (AFM) , microhardness tester and residual stress tester.The fatigue
4、properties of the two specimens were measured by the rotational bending fatigue test, and the fatigue test results were simulated and analyzed.The results show that the rotation bending fatigue of carburized M50NiL steel is originated in the sub-surface in the ideal case without considering the surf
5、ace processing defects.The surface stress concentration factor produced by general grinding causes the fatigue source to be moved from the surface to the sub-surface.Precise grinding improves the surface quality by optimizing the grinding process, effectively restrains the stress concentration of th
6、e working surface, and returns the fatigue source from the surface to the sub-surface.The maximum rotary bending fatigue life can be increased by 30 times and the average is 15 times.Keyword： M50NiL steel; grinding; surface integrity; fatigue; failure mechanism; Received： 2017-07-18航空工业的发展对轴承、齿轮的寿命和
7、可靠性要求愈来愈高。长寿命、高可靠和结构减重是航空工业永恒的追求目标。为了提高构件寿命及可靠性, 一般通过改善组织性能、提高机械加工水平以及研发新材料来实现。M50Ni L 钢是美国 20 世纪 80 年代在 M50 钢的基础上改型成功的一种表层硬化型航空轴承齿轮钢1。它是一种低碳, 高钼、镍、铬含量的二次硬化型钢, 硬度为 HRC4246, 具有较好的塑性和韧性2, 回火后使用温度可高达 316。M50Ni L 钢具有优良的化学热处理性能, 化学热处理后可在表面层形成较高的残余压应力, 有利于提高疲劳寿命。目前, 在美国、欧盟等国家, M50Ni L 钢被普遍用于航空轴承和齿轮, 在我国尚处
8、于应用起步阶段3-8, 有着巨大的潜力和广泛的应用前景。M50Ni L 钢有一突出弱点, 就是疲劳强度对应力集中敏感。如果在机械制造过程中, 构件表面出现超出设计规定的加工损伤, 则会在表面附加一个应力集中, 大幅度降低疲劳寿命。现有数据表明9-10, 轴承和齿轮的失效均以疲劳失效为主, 疲劳多起源于构件表面, 与加工缺陷直接相关。可见, 合理控制机械加工过程中的表面完整性, 减少表面加工损伤, 是提高 M50Ni L 构件疲劳性能的有效途径之一。1 实验材料与方法材料为 M50Ni L 超高强度轴承齿轮钢, 由北京航空材料研究院与抚顺特钢联合研制生产, 采用“VIM+VAR”双真空熔炼, 锻
9、轧开坯成材11, 其主要化学成分如表 1 所示。表 1 M50Ni L 钢主要化学成分 (质量分数%) Table 1 Composition of M50Ni L steel (mass fraction%) 下载原表 M50Ni L 钢经渗碳和热处理之后进行磨削加工, 磨削加工工艺分为两种, 一种是普通磨削, 进给量为 10m;另一种是精密磨削, 进给量为 3m, 其他磨削参数相同。采用扫描电子显微镜 (SEM) 、原子力显微镜 (AFM) 、维氏硬度计、X 射线残余应力仪、透射电子显微镜 (TEM) 等观察两类试样的表面完整性和表面变质层差异12, 通过旋转弯曲疲劳实验评价其疲劳性能,
10、比较疲劳行为, 进行疲劳失效分析, 探讨失效机理。M50Ni L 钢 Kt=1 旋转弯曲疲劳试样如图 1 所示:图 1 M50Ni L 钢旋转弯曲疲劳试样 (Kt=1) Fig.1 Diagram of rotating bend fatigue specimen of M50Ni L steel (Kt=1) 下载原图2 实验结果用扫描电子显微镜观察磨削表面, 结果如图 2 所示。与普通磨削相比, 精密磨削表面粗糙度较小, 表面磨痕较浅。试样表面的 AFM 形貌及轮廓图如图 3 所示。表面粗糙度分别为普通磨削0.123m, 精密磨削 0.054m。M50Ni L 钢对应力集中非常敏感, 强度
11、越高, 敏感性越大。因机械加工表面形貌的不同, 会产生不同的表面应力集中系数。根据 Arola 和 Ramulu 关于应力集中的经验公式 (1) , 可以计算出两种加工表面的表面应力集中系数 Kst。结果如表 2 所示。式中:n 为比例系数;R a为平均粗糙度;R y为波峰到波谷的最大值;R z为十点平均值; 为磨削产生波谷底部的最小曲率半径。M50Ni L 钢磨削是在渗碳层上进行的, 磨削余量约 0.2 mm。M50Ni L 钢渗碳后距表面 0.2 mm 处的硬度约为 62.8HRC。磨削后测定的硬度梯度是渗碳层硬度与磨削表面变质层硬度叠加的结果。磨削表面变质层的显微硬度场如图 4 所示。普
12、通磨削和精密磨削两类试样表面的显微硬度是任意五个点显微硬度的平均值, 分别为 800HV 和 799HV, 将其转换成洛氏硬度约为 64HRC, 较磨削前提高 1.2HRC。从磨削产生的表面硬化层深度来看, 普通磨削和精密磨削产生的硬化层深度分别为 100m 和 80m。可见, 磨削会在试样表面产生硬化层, 硬化层深度与磨削工艺密切相关, 减小进给量可明显降低硬化层深度;磨削表面硬度可提高 1.2HRC, 两种不同磨削工艺导致的硬度差异可以忽略不计。图 2 磨削表面形貌 (SEM) (a) 普通磨削; (b) 精密磨削 Fig.2 SEM topography of grinding surf
13、ace (a) general grinding; (b) precision grinding 下载原图图 3 磨削表面三维形貌和截面轮廓图 (AFM) (a) , (b) 普通磨削; (c) , (d) 精密磨削 Fig.3 Three dimensional AFM topography and profile of grinding surface (a) , (b) general grinding; (c) , (d) precision grinding 下载原图表 2 磨削表面应力集中系数 Kst Table 2 Grinding surface stress concentr
14、ation factor Kst 下载原表 采用电解剥层法测定表面变质层的残余应力场, 结果如图 5 所示。图 5 中近似水平线为渗碳状态残余应力, 约为-81 MPa。比较可知, 普通磨削和精密磨削产生的残余应力场深度无明显区别, 均在 2030m 范围内;表面残余应力均为压应力, 压应力值分别为-281 MPa 和-537 MPa。精密磨削明显提高了表面残余压应力值。图 4 表面变质层显微硬度与深度的关系 (a) 普通磨削; (b) 精密磨削 Fig.4 Hardness-depth curves of grinding deterioration layer (a) general gr
15、inding; (b) precision grinding 下载原图用扫描电子显微镜观察两种工艺的表面变质层组织, 结果如图 6 所示。由图 6可见, 除表面粗糙度引起的表面形貌差异外, 其他无明显区别。用透射电子显微镜观察磨削表面变质层组织, 结果如图 7 所示。分析表明, 两种磨削工艺产生的表面变质层均组织细小, 类似于多晶, 选区电子衍射呈环状;普通磨削试样的观察区域内可见一定量的残余奥氏体。图 5 磨削表面变质层残余应力与深度的关系 (a) 普通磨削; (b) 精密磨削Fig.5 Residual stress-depth curves of grinding deteriorati
16、on layer (a) general grinding; (b) precision grinding 下载原图图 6 磨削表面变质层组织 SEM 照片 (a) 普通磨削; (b) 精密磨削 Fig.6 Microstructure of grinding deterioration layer (SEM) (a) general grinding; (b) precision grinding 下载原图图 7 透射电子显微 (TEM) 照片 (a) 普通磨削 (明场像) ; (b) 普通磨削 (SAED) ; (c) 精密磨削 (明场像) ; (d) 精密磨削 (SAED) Fig.7 TEM observation of grinding deterioration layer (a) BFI (bright field image) of general grinding; (b) SAED (select
