Page 120 - 《摩擦学学报》2021年第6期

第 6 期 刘旭东, 等: 原始组织对ER9车轮钢滚动接触疲劳性能的影响 905

10 素体已不可分辨，铁素体晶粒细化，片层状渗碳体变
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形细化呈粒状，与其相邻的组织只有轻微的塑性变
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形；而原始TS试样没有明显的细晶层，表层的铁素体
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Fatigue life/10 6 r 6 5 4 有一定程度上的变形细化，渗碳体并无明显变形[图6(b1)].
5
当疲劳试验运行1×10 周次时，P+PF试样出现了浅层

细晶层与相邻轻微塑性变形组织的界面处扩展，最后
2 3 裂纹[图6(a2)]，P+PF试样的浅层裂纹在细晶层内部或
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导致材料浅层剥落. 而疲劳试验运行了1×10 周次时的
0
Original Original Pre-wear Pre-wear TS试样未出现浅层裂纹，但会萌生滚动接触疲劳裂
TS P+PF 1×10 r TS 1×10 r P+PF
5
5
纹，裂纹均萌生于试样表面，且裂纹的长度很短，为
Fig. 3 Rolling contact fatigue life
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1~2 μm[图 6(b2)]， 当 疲 劳 试 验 运 行 3×10 周 次 时 ，
图 3 滚动接触疲劳寿命
P+PF试样的剥落更多，截面可观察到剥落凹坑，剥落
Irregular 坑的表面已无细晶层的存在，可观察到明显的变形组
peeling
织，剥落凹坑处萌生疲劳裂纹，裂纹与运行方向约呈
V-shaped
peeling
Crack 45°，但裂纹的数量少，长度小，约为3 μm[图6(a3)].
TS试样由于已经萌生疲劳裂纹，在经过运行后，疲劳
裂纹进一步向心部内扩展，长度约为5 μm[图6(b3)].
综上可知，由于机加工细晶层的存在，P+PF试样更易
Pitting
萌生平行于试样运行表面的浅层裂纹，造成浅层剥
落，即细晶层剥落. 在剥落凹坑处萌生滚动接触疲劳

TS P+PF TS P+PF 裂纹，而TS试样由于没有明显的细晶层，在经过短周

Fig. 4 Surface damage after fatigue failure 次的运行之后，在试样表面会萌生滚动接触疲劳裂
图 4 疲劳失效后表面损伤形貌 纹，造成TS试样疲劳寿命低于P+PF试样.

对原始试样和预磨损试样疲劳失效前后的截面
了沿着滚动方向的浅层剥落，且出现了细小的剥落坑.
组织和裂纹进行了观察和分析. 首先对原始试样疲劳
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运行了3×10 周次之后，P+PF试样表面的剥落更为严
失效后的试样进行截面组织的分析，可以观察到两种
重，能观察到表面明显的凸凹不平，且出现更多的细
试样均出现沿表面呈45°左右的滚动接触疲劳裂纹.
小的剥落坑，在剥落坑的尖端可以发现沿着滚动方向
P+PF试样裂纹萌生处表面已没有细晶层，表明疲劳裂
呈一定角度细小的裂纹. 而与P+PF试样相比，疲劳试
纹是在细晶层剥落后的部位萌生，由图7(a)可见，疲劳
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验运行1×10 周次之后TS试样的表面更为光滑和平
裂纹源处有长、短两条疲劳裂纹，长裂纹首先沿着先
整，但已出现细小的裂纹，也有剥落坑的出现，剥落坑
共析铁素体与珠光体的界面扩展，进入先共析铁素体
的面积和大小均小于同周次下的P+PF试样. 疲劳试验
内部向心部扩展，而后裂纹穿过先共析铁素体，进入
5
5
运行了3×10 周次的TS试样表面同1×10 周次相差不 珠光体团界中，裂纹沿着铁素体与渗碳体的相界扩
多，剥落坑的尖角可以观察到细小的裂纹. P+PF试样 展；短裂纹形成穿晶裂纹，穿过珠光体，裂纹扩展消耗
在经过1×10 周次的预磨损后，试样表面开始出现少 更多能量，故裂纹长度较短. 而TS试样的裂纹在试样
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量的鱼鳞状起皮，试样表面出现轻微的疲劳磨损，而
表面萌生[见图7(b)]，沿着铁素体的晶界扩展.
经过相同周次下预磨损后的TS试样的磨损形式以黏 当P+PF试样经过1×10 周次的预磨损时，试样表
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着磨损为主(见图5). 层组织由于接触应力的作用下发生明显的塑性变形，

2.3 截面组织与裂纹分析 根据塑性变形程度的不同，分为细晶层和塑性变形
分别对原始试样以及疲劳试验运行过程中的试 区，随着与运行表面距离的减小，与运行方向有着一
样的截面组织和裂纹进行了观察和分析，原始P+PF试 定夹角的片层状渗碳体出现明显的断裂和弯折，渗碳
样的表面有1层细晶层，细晶层厚度不均匀，最厚约为 体碎化为点列状[见图8(a)]. 如图7(c)所示预磨损后疲
1 μm[见图6(a1)]. 细晶层内部先共析铁素体和共析铁 劳失效的P+PF试样的裂纹分两种，一种是直接在试样