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    影响轴承寿命的材料因素及其控制

    发布时间:2015-03-13 11:08:05
     
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    影响轴承寿命的材料因素
          
          滚动轴承的早期失效形式,主要有破裂、塑性变形、磨损、腐蚀和疲劳,在正常条件下主要是接触疲劳。轴承零件的失效除了服役条件之外,主要受钢的硬度、强度、韧性、耐磨性、抗蚀性和内应力状态制约。影响这些性能和状态的主要内在因素有如下几项。
          
          1.1淬火钢中的马氏体
         
          高碳铬钢原始组织为粒状珠光体时,在淬火低温回火状态下,淬火马氏体含碳量,明显影响钢的力学性能。强度、韧性在0.5%左右,接触 疲劳寿命在0.55%左右,抗压溃能力在0.42%左右,当GCr15钢淬火马氏体含碳量为0.5%~0.56%时,可以获得抗失效能力最强的综合力学性 能。
          
          应该指出,在这种情况下获得的马氏体是隐晶马氏体,测得的含碳量是平均含碳量。实际上,马氏体中的含碳量在微区内是不均匀的,靠近碳 化物周围的碳浓度高于远离碳化物原铁素体部分,因而它们开始发生马氏体转变的温度不同,从而抑制了马氏体晶粒的长大和显微形态的显示而成为隐晶马氏体。它 可避免高碳钢淬火时易出现的显微裂纹,而且其亚结构为强度与韧性均高的位错型板条状马氏体。因此,只有当高碳钢淬火时获得中碳隐晶马氏体时轴承零件才可能 获得抗失效能力最佳的基体。
           
          1.2淬火钢中的残留奥氏体
          
          高碳铬钢经正常淬火后,可含有8%~20%Ar(残留奥氏体)。轴承零件中的Ar有利也有弊,为了兴利除弊,Ar含量应适当。由于 Ar量主要与淬火加热奥氏体化条件有关,它的多少又会影响淬火马氏体的含碳量和未溶碳化物的数量,较难正确反映Ar量对力学性能的影响。为此,固定奥氏条 件,利用奥氏体体化热稳定化处理工艺,以获得不同Ar量,在此研究了淬火低温回火后Ar含量对GCr15钢硬度和接触疲劳寿命的影响。随着奥氏体含量的增 多,硬度和接触疲劳寿命均随之而增加,达到峰值后又随之而降低,但其峰值的Ar含量不同,硬度峰值出现在17%Ar左右,而接触疲劳寿命峰值出现在9%左 右。当试验载荷减小时,因Ar量增多对接触疲劳寿命的影响减小。这是由于当Ar量不多时对强度降低的影响不大,而增韧的作用则比较明显。原因是载荷较小 时,Ar发生少量变形,既消减了应力峰,又使已变形的Ar加工强化和发生应力应变诱发马氏体相变而强化。但如载荷大时,Ar较大的塑性变形与基体会局部产 生应力集中而破裂,从而使寿命降低。应该指出,Ar的有利作用必须是在Ar稳定状态之下,如果自发转变为马氏体,将使钢的韧性急剧降低而脆化。
           
          1.3淬火钢中的未溶碳化物
           
          淬火钢中未溶碳化物的数量、形貌、大小、分布,既受到钢的化学成分和淬火前原始组织的影响,又受奥氏体化条件的影响,有关未溶碳化物 对轴承寿命的影响研究较少。碳化物是硬脆相,除了对耐磨性有利之外,承载时因会(特别是碳化物呈非球形)与基体引起应力集中而产生裂纹,从而会降低韧性和 疲劳抗力。淬火未溶碳化物除了自身对钢的性能产生影响之外,还影响淬火马氏体的含碳量和Ar含量及分布,从而对钢的性能产生附加影响。为了揭示未溶碳化物 对性能的影响,采用不同含碳量的钢,淬火后使其马氏体含碳量和Ar含量相同而未溶碳化物含量不同的状态,经150℃回火后,由于马氏体含碳量相同,而且硬 度较高,因而未溶碳化物少量增高对硬度增高值不大,反映强度和韧性的压溃载荷则有所降低,对应力集中敏感的接触疲劳寿命则明显降低。因此淬火未溶碳化物过 多对钢的综合力学性能和失效抗力是有害的。适当降低轴承钢的含碳量是提高制件使用寿命的途径之一。
         
          淬火未溶碳化物除了数量对材料性能有影响之外,尺寸、形貌、分布也对材料性能产生影响。为了避免轴承钢中未溶碳化物的危害,要求未溶 碳化物少(数量少)、小(尺寸小)、匀(大小彼此相差很小,而且分布均匀)、圆(每粒碳化物皆呈球形)。应该指出,轴承钢淬火后有少量未溶碳化物是必要 的,不仅可以保持足够的耐磨性,而且也是获得细晶粒隐晶马氏体的必备条件。
          
          1.4淬火回火后的残留应力
        
          轴承零件经淬火低温回火后,仍具有较大的内应力。零件中的残留内应力有利和弊两种状态。钢件热处理后,随着表面残留压应力的增大,钢 的疲劳强度随之增高,反之表面残留内应力为拉应力时,则使钢的疲劳强度降低。这是由于零件的疲劳失效出现在承受过大拉应力的时候,当表面有较大压应力残存 时,会抵消同等数值的拉应力,而使钢的实际承受拉应力数值减小,使疲劳强度极限值增高,当表面有较大拉应力残存时,会与承受的拉应力载荷叠加而使钢的实际!