分享：钛合金杆端体断裂原因

黄雄荣1,2,朱淋淋1,2,任松赞3

(1.上海市轴承技术研究所,上海 201801;2.上海特种轴承工程技术中心,上海 201801; 3.上海轨道交通检测技术有限公司,上海 201801)

摘 要:对钛合金杆端自润滑关节轴承进行疲劳试验,在116万次循环拉压后,杆端体耳环处发 生断裂。对失效件进行了化学成分、宏观和微观分析。结果表明:杆端体失效形式为疲劳断裂,杆 端体耳环和轴承外圈之间发生微动磨损,在循环载荷下,杆端体内孔薄弱处的裂纹扩展,最终发生 断裂。

关键词:杆端体;钛合金;循环载荷;疲劳;断裂

中图分类号:TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)04-0060-04

杆端自润滑关节轴承是多方向运动机构中不可 缺少的支撑部件,其由杆端体、轴承内圈和轴承外 圈,以及轴承内外圈间的自润滑材料组成,其结构如 图1所示。该轴承可以承受径向载荷和轴向载荷, 并实现高频率下多方向的往复运动(围绕轴心线的 摆动)[1]。航空杆端体材料通常为沉淀硬化型不锈 钢05Cr17Ni4Cu4Nb,为提升杆端轴承的耐腐蚀性 能和减轻零件质量,文献[2]对钛合金材料在杆端体 的应用进行了研究。

笔者分别在沉淀硬化型不锈钢05Cr17Ni4Cu4Nb、 钛合金 TC4两种材料制备的杆端体内孔中压入同样的 自润滑关节轴承,轴承外圈通过翻边安装方式固定于杆端体,并将装配好的杆端自润滑关节轴承成对 地进行拉压循环载荷疲劳试验(见图2[1])。在116 万次拉压后,钛合金杆端体发生断裂,断裂部位宏观 形貌如图3所示,而此时不锈钢杆端体完好。杆端 体总长为84mm,断裂部位外径为36mm,内径为 26mm,宽 为 10.6mm;试 验 温 度 为 室 温 (23± 5)℃;试验载荷为(2500±9600)N;载荷变化频率 为4Hz,水平方向反复加载。 

笔者将钛合金应用于杆端体上,在相同的试验 条件下,发现该杆端体断裂速度比不锈钢杆端体更 快,为提升其疲劳寿命,需要对钛合金杆端体的失效 原因进行分析。 

1 理化检验

1.1 宏观分析

由图3可知,断裂发生在杆端体耳环靠近螺杆 区,杆端体头部断裂后,沿螺杆轴线方向端体被拉 直,拉直段有裂纹,且开口较大。

杆端体内孔和轴承宏观形貌分别如图 示,在杆端体内孔表面断裂区的两侧近端面4各,5有所一 条褐色损伤带;同时,在轴承外圈与杆端体内孔接触 表面的近端面位置,同样有两条褐色损伤带。

断口的宏观形貌如图6所示,断面大部分平坦 且呈银灰色。整个断口有左、右两处起始点。主断 裂起始于杆端体内孔左侧近端面位置,向右上角逐 步扩展,扩展区呈辐射状条纹;断面扩展至右上角方 向发生转折,并朝上发展,呈现粗糙的木纹状花样, 以及撕裂终断形态。该终断区呈三角形分布,与扩 展区相连,边缘略有变形,其面积约占整个断区面积的1/5。在断口右侧内孔位置,可见由杆端内孔表 面起始的平坦台阶。左、右两侧断面起始方向均与 内腔表面的损伤区域相关。

1.2化学成分分析

失效杆端体材料的成分按标准 ASTM E1409- 13《惰性气体熔融法测定钛和钛合金中氧、氮含量 标准测定方法》,ASTM E1447-09(2016)《钛和钛 合 金 氢 含 量 标 准 测 定 方 法 》,ASTM E 1941-10 (2016)《高熔点和活性金属及其合金中碳含量测定 的标准测定方法》,ASTM E2371-13 《等离子体原 子发射光谱法测定钛和钛合金的标准测定方法》进 行测定分析,结果如表1所示。由表1可知,失效杆 端体材料成分符合标准 GJB2218A—2008《航空用 钛及钛合金棒料和锻坯规范》的要求。 

1.3 扫描电镜分析

采用扫描电镜对失效件断口的起始区、扩展区、 终断区进行分析。观察断面左侧起始区的微观形貌 [见图7a)],可见断面由转角起始,有约45°方向的 台阶,断面基本平坦,无大颗粒夹杂。转角起始区对 应的内孔表面有损伤,该区域粗糙,密集分布有平行断面的台阶状沟槽,其中部分沟槽较深,并存在平行 于端面的加工纹理[见图7b)]。在断面扩展区(见图 8),可见斜向、朝右上角扩展的疲劳辉纹,具有典型的 疲劳特征,由循环的拉压载荷形成,存在二次裂纹。

观察右侧断口微观形貌[见图9a)],断面也是 起始于端面和内孔的转角区,形成小平台,其左侧与 大扩展区相交,右侧与终断面相交;转角平台区与内 腔表面损伤区相关联。近断面边缘的杆端体内孔表 面上可见横向褶皱状损伤条纹,其方向与断面平行,有的裂纹正在形成,有一处裂纹已由转角向两侧扩 展[见图9b)]。在高倍下可见该区小平台有由表向 内扩展的平行条纹,呈疲劳形态(见图10)。

断面终断区低倍下的形貌如图11a)所示,终断 区呈三角形分布,与扩展区衔接。该区域高倍下可 见撕裂状韧窝,呈过载性终断形态[见图11b)][3]。

1.4 金相检验

分别对断面左侧的杆端体端面、平行于断面的 内孔截面取样进行金相检验,样品未侵蚀。 

断面左侧的杆端体端面微观形貌如图12所示, 由图12可知,近断面的内孔表面不平整,存在弧形 凹坑并伴有剥落及氧化,与轴承外圈外径和杆端体 内孔的异常磨损相关。平行于断面的内孔截面表面 起伏,同样存在剥落及氧化,局部凹坑已发生开裂, 裂纹斜向分布(见图13)。

在断面左侧的杆端体端面和基体取样,经磨抛 和硝酸氢氟酸水溶液侵蚀后观察,均为α+β双相组织(见图14),α相趋于平行分布,且被拉长、大小不 一[3]。

2 原因分析与讨论 

断 裂杆端体的化学成分符 合 标 准GJB2218A -2008的要求,显微组织正常;断口平坦,有明显的 裂纹起始区、扩展区和终断区,存在疲劳辉纹和韧 窝,杆端体整体表现为疲劳断裂。

钛合金杆端体和轴承外圈的装配面在循环拉压 载荷下,局部发生微动磨损,表面出现氧化、锈蚀和 剥落,叠加杆端体内孔出现表面加工损伤,在内孔的 薄弱处诱发开裂,并最终断裂。同时,由断面两个裂 纹源不同形貌可推断,杆端体在疲劳试验过程中两 端的受力不均衡。 

钛合金相对钢铁材料,其断裂韧性低、缺口敏感 性高,这也是对05Cr17Ni4Cu4Nb和 TC4两种材料 杆端 体 进 行 试 验 时,钛 合 金 TC4 先 开 裂 的 原 因 之一。 

3 结语和建议

钛合金杆端体断裂的原因主要是杆端体耳环和 轴承外圈之间发生微动磨损,叠加杆端体内孔的表 面加工损伤,在循环载荷下,杆端体内孔的薄弱处萌 生裂纹,并不断扩展最终发生断裂。

在存在微动磨损的配合工作面,应提高加工表 面质量,并加强表面强化处理,来延缓微动磨损造成 的失效。 

参考文献: [1] 黄雄荣,王鹏,任颂赞.某杆端自润滑关节轴承断裂原 因分析[J].理 化 检 验 (物 理 分 册),2020,56(4):68- 71. [2] 朱知寿.新型航空高性能钛合金材料技术研究与发展 [M].北京:航空工业出版社,2013. [3] 唐慧艳,黄雄荣,张铁军.自润滑关节轴承的静载荷试 验与热处 理 工 艺 改 进 [J].理 化 检 验 (物 理 分 册), 2020,56(11):12-15,38.

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