工件疲劳强度试验裂纹分析

乔丹阳，王旭东，潘嘉玉，王建国，高晓文

（太原重工轨道交通设备有限公司实验中心，山西 太原 030000）

针对经过疲劳强度试验后出现的表面裂纹，实验室选取其中两个工件，进行解剖试验，分析开裂原因。

1 试验分析

1.1 宏观观察

A工件完全断裂，断口形貌源于工件外表面的严重应力集中型疲劳断裂。疲劳源区断面与主平面呈45°，疲劳扩展区疲劳条带清晰，终断区离开表面，位于距表面半径1/3处，见图1所示。

图1 A工件号端断口形貌

B工件接近裂至半圆，裂纹沿圆周弧线长度约19 cm。裂纹两侧有较多锈蚀，擦拭后大部分为浮锈，可去除。裂纹沿圆周分布整体较细密，中部区域缝隙略宽于两侧。裂纹两侧碾压划伤较严重（见图2）。

图2 开裂B工件裂纹放大

此次完全断裂A工件表面损坏较严重，选取B工件进行开裂原因分析较为适宜。B工件裂纹人工压开断口后，可见疲劳断口已经开裂约一半，疲劳源处呈较大斜面，主疲劳源位于剖开断口的中部区域，两侧有多个次生疲劳源，其各自扩展平面逐渐汇合到同一个疲劳扩展平面上；人工压开区域呈新鲜纤维状断口。断口观察结果显示，此属严重应力集中型旋转弯曲疲劳断裂（见图3）。

图3 开裂B工件人工剖开疲劳断口

1.2 扫描电镜

电镜扫描位置见图4。

图4 扫描位置

主疲劳源区扫描电镜观察起裂源位于最外表面，为多源型起裂。单个疲劳源区呈现典型的挤压层区域，特征为近似平行束状。紧邻源区的扩展区疲劳沟线特征明显，疲劳沟线较稀疏，呈放射状扩展，微观形貌见图5所示。

图5 主疲劳源区

次生疲劳源区同样起源于挤压层，挤压层深度约90 um。一次疲劳沟线呈单侧放射状特征，断口起伏较大，微观形貌见下页图6。

图6 次生疲劳源区

工件表面纵向划伤严重，周向有多条平行主断口的波浪状接触疲劳裂纹和黏着磨损花样。微观形貌见图7-1。此外，局部区域出现纯挤压变形层，车削纹路尚清晰可辨，见图7-2。

图7 主疲劳源区车轴周向表面形貌

1.3 金相分析

在主疲劳源区及次生疲劳源区分别取高倍试样，观察垂直主断口截面，试样镶嵌后观察。主断口面起裂源处未见夹杂物、微裂纹类缺陷。距主断口2mm附近表面发现小疲劳裂纹一条，裂纹长度约1.5 mm，裂纹两侧耦合性较好，无夹杂物伴生，裂纹尖端尖细，起裂源位置开口处约有50 um的台阶差，裂纹旁组织为回火马氏体+回火贝氏体，裂纹穿晶扩展，见图8-1和8-2。主断口附近区域表面还发现多条接触疲劳裂纹，裂纹扩展较长，裂纹旁有氧化层，裂纹旁组织塑性变形层明显，见图8-3和8-4。

图8 主疲劳断口旁试样

次生疲劳源试样，主断口附近未发现缺陷。主断口附近发现较轻微接触疲劳裂纹，见图9。

图9 次生疲劳源试样

1.4 低倍组织

工件横截面试样经热酸浸蚀后，纯净度、致密度、均匀性良好，未见宏观冶金缺陷。

1.5 拉伸性能

拉伸性能见表1。

表1 拉伸性能

试验结果表明，拉伸指标合格。

2 原理分析讨论

2.1 材料热处理

工件力学拉伸指标合格；热处理状态正常，属调质组织，晶粒度合格。

2.2 疲劳断裂

本次裂纹分析的B工件所属工件在疲劳试验后发现有宏观裂纹。人工剖开裂纹后，宏观断口显示属多源型严重应力集中型疲劳断裂，断口呈现疲劳沟线特征。分析认为，宏观疲劳源多、存在疲劳沟线则认为疲劳的起始应力幅较大。疲劳源处呈挤压层特征，圆弧面显示多条波浪状接触疲劳裂纹，系工件之间产生微动疲劳所致。

2.3 微动疲劳

在疲劳试验过程中，工件之间由于承受交变弯曲应力，产生不同的变形引起接触界面发生微幅相对运动，促使疲劳裂纹早期萌生并加速扩展，以微动疲劳的模式在工件表面产生接触疲劳裂纹。微动疲劳包括微动磨损和由其萌生的裂纹并在交变应力下扩展开裂。在紧配合的部位易发生微动磨损。在接触压应力下，摩擦副表面的微凸体产生塑性变形和黏着。在小振幅振动作用下黏着点受剪切使黏着物脱落，同时剪切表面被氧化，氧化物以Fe2O3为主，磨屑呈红褐色。

2.4 综合分析

试验工件早期失效是严重应力集中型疲劳断裂。导致应力集中的主要因素是疲劳源处为挤压层，挤压层系工件表面产生的多条接触疲劳裂纹。接触疲劳裂纹系试验过程中微动疲劳所致。影响微动疲劳的主要因素有材料的成分、微观组织结构与性能、外加载荷大小及循环次数、振动频率与振幅、温度、气氛、润滑及环境条件等等。试验结果表明，材料成分、微观组织方面未见异常。

3 结语

工件断裂为疲劳断裂。断裂原因系试验过程中，工件表面由于微动磨损导致微动疲劳产生接触疲劳裂纹，以接触疲劳裂纹为源，引发严重应力集中型疲劳断裂。