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瀏覽◕│₪↟:- 釋出日期◕│₪↟:2022-11-08 11:27:13【

摘 要:對鈦合金杆端自潤滑關節軸承進行疲勞試驗,在116萬次迴圈拉壓後,杆端體耳環處發 生斷裂☁·╃│•。對失效件進行了化學成分☁₪、宏觀和微觀分析☁·╃│•。結果表明:杆端體失效形式為疲勞斷裂,杆 端體耳環和軸承外圈之間發生微動磨損,在迴圈載荷下,杆端體內孔薄弱處的裂紋擴充套件,最終發生 斷裂☁·╃│•。 

關鍵詞:杆端體;鈦合金;迴圈載荷;疲勞;斷裂 

中圖分類號:TG115.5                                           文獻標誌碼:B                                           文章編號:1001-4012(2022)04-0060-04


杆端自潤滑關節軸承是多方向運動機構中不可 缺少的支撐部件,其由杆端體☁₪、軸承內圈和軸承外 圈,以及軸承內外圈間的自潤滑材料組成,其結構如 圖1所示☁·╃│•。該軸承可以承受徑向載荷和軸向載荷, 並實現高頻率下多方向的往復運動(圍繞軸心線的 擺動)[1]☁·╃│•。航空杆端體材料通常為沉澱硬化型不鏽 鋼05Cr17Ni4Cu4Nb,為提升杆端軸承的耐腐蝕性 能和減輕零件質量,文獻[2]對鈦合金材料在杆端體 的應用進行了研究☁·╃│•。 

筆者分別在沉澱硬化型不鏽鋼05Cr17Ni4Cu4Nb☁₪、 鈦合金 TC4兩種材料製備的杆端體內孔中壓入同樣的 自潤滑關節軸承,軸承外圈透過翻邊安裝方式固定於杆端體,並將裝配好的杆端自潤滑關節軸承成對 地進行拉壓迴圈載荷疲勞試驗(見圖2 [1])☁·╃│•。在116 萬次拉壓後,鈦合金杆端體發生斷裂,斷裂部位宏觀 形貌如圖3所示,而此時不鏽鋼杆端體完好☁·╃│•。杆端 體總長為84mm,斷裂部位外徑為36mm,內徑為26mm,寬 為 10.6mm;試 驗 溫 度 為 室 溫 (23± 5)℃;試驗載荷為(2500±9600)N;載荷變化頻率 為4Hz,水平方向反覆載入☁·╃│•。 

筆者將鈦合金應用於杆端體上,在相同的試驗 條件下,發現該杆端體斷裂速度比不鏽鋼杆端體更 快,為提升其疲勞壽命,需要對鈦合金杆端體的失效 原因進行分析☁·╃│•。 

1 理化檢驗 

1.1 宏觀分析

由圖3可知,斷裂發生在杆端體耳環靠近螺桿 區,杆端體頭部斷裂後,沿螺桿軸線方向端體被拉 直,拉直段有裂紋,且開口較大☁·╃│•。 

杆端體內孔和軸承宏觀形貌分別如圖 4,5 所 示,在杆端體內孔表面斷裂區的兩側近端面各有一 條褐色損傷帶;同時,在軸承外圈與杆端體內孔接觸 表面的近端面位置,同樣有兩條褐色損傷帶☁·╃│•。 

斷口的宏觀形貌如圖6所示,斷面大部分平坦 且呈銀灰色☁·╃│•。整個斷口有左☁₪、右兩處起始點☁·╃│•。主斷 裂起始於杆端體內孔左側近端面位置,向右上角逐 步擴充套件,擴充套件區呈輻射狀條紋;斷面擴充套件至右上角方 向發生轉折,並朝上發展,呈現粗糙的木紋狀花樣, 以及撕裂終斷形態☁·╃│•。該終斷區呈三角形分佈,與擴 展區相連,邊緣略有變形,其面積約佔整個斷區面積的1/5☁·╃│•。在斷口右側內孔位置,可見由杆端內孔表 面起始的平坦臺階☁·╃│•。左☁₪、右兩側斷面起始方向均與 內腔表面的損傷區域相關☁·╃│•。

1.2 化學成分分析 

失效杆端體材料的成分按標準 ASTM E1409- 13《惰性氣體熔融法測定鈦和鈦合金中氧✘·│▩、氮含量 標準測定方法》,ASTM E1447-09(2016)《鈦和鈦 合 金 氫 含 量 標 準 測 定 方 法 》,ASTM E 1941-10 (2016)《高熔點和活性金屬及其合金中碳含量測定 的標準測定方法》,ASTM E2371-13 《等離子體原 子發射光譜法測定鈦和鈦合金的標準測定方法》進 行測定分析,結果如表1所示◕✘☁₪。由表1可知,失效杆 端體材料成分符合標準 GJB2218A—2008《航空用 鈦及鈦合金棒料和鍛坯規範》的要求◕✘☁₪。

1.3 掃描電鏡分析 

採用掃描電鏡對失效件斷口的起始區✘·│▩、擴充套件區✘·│▩、 終斷區進行分析◕✘☁₪。觀察斷面左側起始區的微觀形貌 [見圖7a)],可見斷面由轉角起始,有約45°方向的 臺階,斷面基本平坦,無大顆粒夾雜◕✘☁₪。轉角起始區對 應的內孔表面有損傷,該區域粗糙,密集分佈有平行斷面的臺階狀溝槽,其中部分溝槽較深,並存在平行 於端面的加工紋理[見圖7b)]◕✘☁₪。在斷面擴充套件區(見圖 8),可見斜向✘·│▩、朝右上角擴充套件的疲勞輝紋,具有典型的 疲勞特徵,由迴圈的拉壓載荷形成,存在二次裂紋◕✘☁₪。

觀察右側斷口微觀形貌[見圖9a)],斷面也是 起始於端面和內孔的轉角區,形成小平臺,其左側與 大擴充套件區相交,右側與終斷面相交;轉角平臺區與內 腔表面損傷區相關聯◕✘☁₪。近斷面邊緣的杆端體內孔表 面上可見橫向褶皺狀損傷條紋,其方向與斷面平行,有的裂紋正在形成,有一處裂紋已由轉角向兩側擴 展[見圖9b)]◕✘☁₪。在高倍下可見該區小平臺有由表向 內擴充套件的平行條紋,呈疲勞形態(見圖10)◕✘☁₪。