摘 要:某３Cr２W８V 合金钢轴承套圈用热挤压芯棒发生断裂失效,通过断口宏观分析、化学成 分分析、硬度测试、金相检验等方法,分析了其断裂失效的原因.结果表明:该芯棒的结构设计不合 理且机加工表面质量不良,在拉Ｇ压交变应力和扭转应力复合作用下产生应力集中,于应力集中的 过渡圆角部位的夹杂物相处开裂形成疲劳裂纹源,发生早期疲劳断裂. 

关键词:３Cr２W８V 合金钢;热挤压芯棒;疲劳断裂;应力集中 

中图分类号:TG１１５．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０７Ｇ０５２３Ｇ０３

３Cr２W８V 合金钢含有较高含量的铬、钨元素, 易形成碳化物,因此在高温下有较高的强度和硬度, 但其韧性和塑性相对较差.该合金钢的相变温度较 高,抵抗冷热交变的耐热疲劳性好,能承受较大的压 应力、弯应力和拉应力,广泛用于制作热挤压模具、 热冲压模具及轴承套圈的热锻模具等[１Ｇ３].

轴承套圈用热挤压芯棒工作环境苛刻,工作时 需要承受较大的弯应力,同时工件的高温会传导到 模具上,工件加工完成后芯棒用水冷却,模具温度变 化大.采用３Cr２W８V 合金钢制造的滚动轴承套圈 热挤压芯棒原设计寿命为５０００件,但是部分模具 仅生产３００~８００件就发生断裂失效,严重影响生产 效率,加大了生产成本.笔者通过断口宏观分析、化 学成分分析、硬度检测、金相检验等方法,对早期断 裂失效芯棒的断裂原因进行了分析,后续通过模具 结构的优化和生产工艺的调整,大幅提升了芯棒寿 命,提高了生产效率,降低了生产成本.

１ 理化检验 

１．１ 断口宏观分析 

断裂失效热挤压芯棒的宏观形貌如图１所示, 所有失效芯棒的断裂位置均位于圆锥面向圆柱面过 渡的圆角处,该位置处可见明显切削刀痕.图２为 断裂热挤压芯棒的断口宏观形貌,可见断口右边边 缘有裂纹台阶,高倍下边缘有明显的弧形裂纹,表面存在一定程度的氧化,呈现氧化色,色泽较浅,可见 明显瞬时断裂区,断口呈现弯曲Ｇ扭转应力复合作用 产生的疲劳断口形貌特征.

１．２ 化学成分分析 

采用 ThermoARL４４４６０直读光谱仪对断裂芯 棒进行化学成分分析,结果见表１,可见断裂芯棒的 化学成分符合 GB/T１２９９－２０００ 对 ３Cr２W８V 合 金钢成分的要求.

１．３ 硬度测试 

断裂芯棒的硬度测试结果见表２,可见该断裂 芯棒从表面到心部的硬度分布均匀且符合相关企业 标准.

１．４ 金相检验 

在芯棒的断口处取样,制备 金 相 试 样,用 ４％ (体 积 分 数)硝 酸 酒 精 溶 液 侵 蚀 后,采 用 NiKon ECLIPSE MA１００光 学 显 微 镜 观 察 其 显 微 组 织 形 貌,如图３所示,可见其显微组织为细针状马氏体＋ 细小颗粒状碳化物＋少量残余奥氏体,显微组织分 布均匀,为３Cr２W８V 合金钢正常淬、回火组织.

２ 分析与讨论 

芯棒断裂处位于圆角过渡处,整个芯棒表面加 工质量较差,但芯棒化学成分、硬度均符合相关标准 技术要求,且显微组织正常. 

芯棒工作受力模式为典型的悬臂梁式,一端是 固定支座,另一端为自由端,如图４a),b)所示.定 义坐标原点为固定端B 处,x 为集中力F 作用点到 B 点的距离,如图４c)所示.依据悬臂梁式的受力 特点可知,芯棒受到的弯矩从 A 到B 呈线性增加, B 点处受到的弯矩最大,即工作弯矩产生的最大拉应力和剪应力均集中在装卡圆角过渡区,且恰好是 悬臂梁受约束处.悬臂梁受力计算公式为 

式中:M 表示弯矩力;F 表示作用力;x 表示作用力 点到原点处的距离.

定义圆角过渡处的极惯性矩为IZ,惯性矩计算 公式为

式中:D 表示芯棒工作端直径.

定义悬臂梁截面所受正应力为σ,则 B 处截面 所受正应力最大,其计算公式为

式中:σmax表示最大正应力;R 表示受正压力的点到 支撑点的距离.

由上述应力分析可知,从A 处至B 处芯棒上表 面所受拉应力成线性分布,B 处截面所受正应力最 大.同时,在轴承套圈辗扩时,因转动的套圈和芯棒 之间的摩擦力作用处于拖曳旋转状态,导致芯棒承 受很大的拉Ｇ压交变应力和扭转剪应力,这些复合应 力均集中于芯棒受约束的圆角过渡区.观察断裂芯 棒可见加工表面存在明显的切削刀痕,未达到设计 要求的表面粗糙度Ra≤１．６μm.图５a)所示为切削 刀痕底部夹杂物扫描电镜(SEM)形貌,切削刀痕底 部容易导致应力集中,在局部微区内产生的较高应 力 作 用 下 ,成 为 裂 纹 形 核 源 .在 较 高 的 集 中 应 力及交变应力作用下,最终导致芯棒在过渡圆弧处产 生低周疲劳断裂失效. 

从图５b)可以看出,断口由表面疲劳裂纹源所 形成的圆弧疲劳断裂区和瞬时断裂区组成,表现出 典型的低周疲劳特征,这与芯棒服役寿命低相符. 通常疲劳裂纹起源于应力集中区,特别是材料表面 加工缺陷处(偏深的切削刀痕)和冶金缺陷部位(夹 杂物)[４],悬臂梁的工作压力分布特征使得过渡圆角 区产生高度的集中应力,疲劳裂纹在该处萌生.

３ 结论及建议 

３Cr２W８V 合金钢轴承套圈用热挤压芯棒断裂 失效原因主要是该芯棒的结构设计不合理再加上机 加工表面质量不良,在拉Ｇ压交变应力和扭转应力复 合作用下产生应力集中,导致夹杂物相开裂形成疲 劳裂纹源,发生早期疲劳断裂.

建议优化芯棒结构设计,加大过渡圆角半径以 降低应力集中;提高芯棒的机加工表面质量,防止过 渡圆角处车削加工表面质量不符合技术要求;改进 回火工艺,保证充分回火,适当降低模具硬度,提高 芯棒的塑韧性. 

参考文献: 

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文章来源——材料与测试网