Page 125 - 《摩擦学学报》2021年第6期
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910 摩 擦 学 学 报 第 41 卷
TS试样也观察到面积较大的剥落坑[见图9(b4)]，并在 的疲劳试验运行时，TS试样表面继续硬化，而P+PF的
剥落坑的附近萌生裂纹，裂纹扩展的方式都与1×10 5 硬度分散性变小，这是因为在机加工细晶层剥落后露
周次时一致. 出的轻微塑性变形组织在接下来的运行过程中进一
2.5 硬度分析 步硬化，未剥落的细晶层硬度不再提升，导致硬度分
对机加工状态下未运行的试样的表面硬度进行 散值减小. 但当TS试样经过1×10 周次的预磨损后，试
5
测量[图10(a)]，P+PF试样的硬度为410 HV 0.025 左右，远 样的表面硬化至460 HV 0.025 左右，而P+PF试样经过相
高于相邻塑性变形组织的硬度，而TS试样的硬度为
同周次的预磨损后，试样的表面硬化至590 HV 0.025 ，试
360 HV 0.025 左右，由于P+PF试样机加工导致的表面细 样表层晶粒细化有效抵抗了疲劳裂纹的萌生. 相较于
晶层的存在,原始P+PF试样的硬度高于TS试样，而
预磨损相同周次下的TS试样，P+PF试样的表面硬度
TS试样也由于表层的铁素体的塑性变形导致硬度提
和硬化层深度均高于TS试样，根据图10(b)所示，距离
5
升，高于原始组织的硬度. 经过1×10 周次的疲劳试验
表面15 μm处P+PF试样的硬度仍高于TS试样的表面
运行时，TS试样的表面硬度有所提升，这是因为在短
硬度，P+PF试样的硬度提升快，表层脆性相对于TS试
周次的运行之下，铁素体作为软相优先硬化，根据相
样更大，加速了棘轮效应，疲劳裂纹萌生后极易扩展，
关学者的研究表明，铁素体的硬化速率比珠光体高
故预磨损相同周次后TS试样滚动接触疲劳寿命优于
[12]
50％ ，导致回火索氏体组织的铁素体基体硬化速率
P+PF试样. 无论运行周次数量多少，各试样的共同特
优于片状珠光体；原始的P+PF试样的表面硬度值分散
较之原始TS试样的更大，且相比于未运行的P+PF试 点均为随着距离表面深度的增加，硬度逐渐减小，在
样，硬度值分散也较大，这是由于P+PF试样的机加工 距表面200~250 μm左右，硬度出现1个峰值，在250 μm
细晶层的硬度远高于其相邻塑性变形组织的硬度，且 后，两种试样的显微硬度又有所降低，在400 μm左右
5
经过1×10 周次的疲劳试验运行时，机加工细晶层剥 接近基体硬度[见图10(b)]. 这是由于在滚动接触过程
[13]
5
落露出相邻的塑性变形的组织导致的. 经过3×10 周次 中次表层切应力最大的原因 .
440 650
5
1×10 TS
420 600 3×10 P+PF
5
1×10 P+PF
5
Hardness/HV 0.025 400 Hardness/HV 0.025 550 Pre-wear 1×10 TS
5
3×10 TS
5
500
380
5
Pre-wear 1×10 P+PF
360
450
340
320 400
350
300 300
3×10 P+PF
Original P+PF
Original TS 1×10 TS 5 3×10 TS 5 −50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
1×10 P+PF
5
5
Depth/μm
(a) Surface (b) Surface hardness distribution
Fig. 10 The hardness distribution of the surface layer of the sample under different conditions
图 10 不同状态下试样的硬度
3 讨论 的形貌和硬度相差较大，正因为有细晶层的存在，在
油润滑本身磨损程度就可以忽略的条件下，在短周次
3.1 细晶组织对疲劳寿命的影响
的运行之后更硬的细晶层与心部组织差别更大，更易
机加工时由于切削力和切削热与材料的相互作
剥落.
[14]
用，会在试样表面留下1个变质层 ，根据胶态平衡原
原始P+PF试样表层的细晶组织在试样未运行前
理，片状渗碳体更易溶解，渗碳体溶解会形成固溶强 已经累积了大量的应变，随着运行次数的增加，试样
[15]
化提高试样表面硬度 . 故原始P+PF试样可明显观察 的表层组织会不断累积塑性变形，表面硬度逐渐升
到表面最厚约1 μm的细晶层，而原始TS试样表层并无 高，这表现为棘轮效应，轮轨接触疲劳损伤机制是由
明显的细晶组织. 细晶层与相邻的轻微塑性变形组织 于棘轮效应产生的塑性变形累计达到材料的韧性极
