Page 126 - 《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 911

限而产生疲劳裂纹. P+PF试样表层的机加工细晶层硬 疲劳裂纹. 在油润滑滚动接触疲劳过程中，疲劳磨损
度高脆性大变形能力弱，且与心部组织存在明显界 裂纹会成为滚动接触疲劳裂纹萌生源，一旦接触疲劳
面，导致在表层区域产生的微裂纹会优先在细晶层内 裂纹萌生，润滑油就会迅速侵入其中，使裂纹张开，迫
扩展. 在塑性变形过程中细晶层与其相邻组织的形变 使裂纹向前扩展，当试样接触到裂纹裂纹的裂口并把
不均匀，先共析铁素和珠光体的强度和硬化速率明显 它封住，裂纹中的润滑油受阻其中，在裂纹内壁产生
不同，导致试样易于在两种组织交界位置萌生裂纹 [8,16] ， 巨大内应力，更加促进裂纹的扩展 . 且由于P+PF试
[18]
故P+PF试样产生浅层裂纹之后，裂纹倾向于在细晶层 样表层硬度提升快，脆性大，在表层直接萌生的疲劳
内或在细晶层与相邻轻微塑性变形组织的界面处扩 裂纹也极易扩展，故在预磨损1×10 周次时TS试样的
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展，最后造成材料的浅层剥落. 试样继续运行，细晶层
滚动接触疲劳寿命高于P+PF试样.
剥落，试样的轻微塑性变形组织暴露出来，低硬度(强 5
两种不同原始组织的试样在预磨损1×10 周次
度)的次表层成为表层，试样表面失去细晶层后，在滚
时，试样表层形成了明显的变形层，试样截面的塑性
动接触过程中，原始组织中铁素体内的位错会发生快
变形呈梯度变化，距离表面越近塑性变形程度越大.
速增殖，使位错在晶界处塞积，当位错塞积到一定程
两种不同原始组织的试样均会由于表面强化从而提
[17]
度后会产生接触疲劳裂纹 ，由于铁素体比较软，塑
升其滚动接触疲劳寿命，这是因为试样表层的晶粒内
性变形过程中会快速到达疲劳极限形成疲劳裂纹，且
[17]
部会产生高密度位错结构 ，并且位错分布不均匀，
由于珠光体和邻近的先共析铁素体不能同步变形，故
排列没有方向性，位错缠结会阻碍滚动接触疲劳试验
裂纹在铁素体和珠光体的界面处扩展 [16] . 而原始的
中试样表层的位错滑移，导致晶体内部位错迁移更加
TS试样没有明显细晶层的存在，但点粒状渗碳体分布
困难，因此，材料的屈服强度提高，抗流变能力提高.
在等轴铁素体基体上，这一点在表面和心部都是如
且晶界会阻碍裂纹萌生，因为晶界会阻止位错运动，
此，组织更为均匀，在滚动接触过程中，形变均匀的累
晶粒越细晶界就越多，则对阻碍裂纹萌生和扩展作用
[4]
积 ，且相对于渗碳体，铁素体是软相，裂纹更易在表
[19]
越大 .
层的铁素体处萌生. 经过短周次的运行后，TS试样首
先萌生滚动接触疲劳小裂纹，再经过一段时间的运行 4 结论
后，裂纹长度不断增长，TS试样的接触疲劳裂纹更倾
a. 原始P+PF试样表层组织存在厚度不均，最厚可
向于在铁素体晶界处扩展.

达1 μm的细晶层. 而原始TS试样表层组织无明显细晶
3.2 预磨损对疲劳寿命的影响
层. 在疲劳试验过程中原始P+PF试样会优先在表面萌
TS试样在经过1×10 周次的预磨损后，表层组织
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生浅层裂纹并在细晶层内扩展形成浅层剥落，在细晶
得到改变，出现细晶区，相比于P+PF试样的机加工细
层剥落的区域萌生疲劳裂纹. 而原始TS试样经过短周
晶层，预磨损后TS试样的细晶层分布更均匀，组织均
次的运行之后直接萌生滚动接触疲劳裂纹. 故原始P+PF
匀连续的转变，表层硬度更高，预磨损后形成的表层
试样具有更好的抵抗疲劳裂纹萌生的能力.
硬化会明显起到抑制滚动接触疲劳裂纹萌生作用. 在
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b. P+PF试样经过1×10 周次的预磨损后，表面形
滚动接触疲劳试验过程中，预磨损后的TS试样类似
成少量的疲劳磨损裂纹，部分疲劳磨损裂纹成为滚动
P+PF试样首先形成浅层裂纹造成浅层剥落，在浅层剥
接触疲劳裂纹的裂纹源，且预磨损后的P+PF试样表层
落的基础上萌生滚动接触疲劳裂纹. 故相较于原始
硬度更高脆性更大，萌生的疲劳裂纹极易扩展，但由
TS试样，滚动接触疲劳寿命提升15倍.
于试样表层晶粒细化，有效抵抗了裂纹的萌生，从而
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P+PF试样经过1×10 周次的预磨损后，由于在预
提升疲劳寿命.
磨损过程中产生了晶粒细化，表层强度提高，故滚动
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c. TS试样经过1×10 周次的预磨损后，试样表面
接触疲劳寿命相较于原始的P+PF试样有着显著的提
形成比原始P+PF试样分布更为均匀的细晶层，细晶层
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升，由1.6×10 周次提升至2.8×10 周次. 但由于在预磨
厚度约为1 μm，表面硬度为460 HV 0.025 . 试样的滚动
损的过程中，P+PF试样会产生少量的从表面萌生，与
接触疲劳寿命大幅度提升，相较于原始TS试样提升
表面形成大约10°夹角的疲劳磨损裂纹. 而P+PF预磨
15倍，且高于预磨损相同周次的P+PF试样3倍.
损试样滚动接触疲劳裂纹分为两个部分，一部分是在
参 考 文 献
表面萌生的与表面呈45°角的滚动接触疲劳裂纹，另
一部分是在疲劳磨损裂纹的基础上形成的滚动接触 [ 1 ] Carroll R I, Beynon J H. Decarburisation and rolling contact fatigue