【摘 要】
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轴承作为轨道交通、航空航天领域关键零部件,严重影响装备的寿命与可靠性。随着装备制造业不断发展与进步,长寿命、耐高温、耐腐蚀轴承需求日益剧增,这也对轴承钢综合性能提出了更为严苛的要求。高氮不锈轴承钢凭借高强度、高硬度、长寿命和优良的耐腐蚀性成为新型轴承材料研发热点。而我国高氮不锈轴承钢疲劳性能相关研究较为滞后。因此本文以高氮不锈轴承钢作为研究对象,通过组织调控,对其组织结构、旋转弯曲疲劳、滚动接触疲
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轴承作为轨道交通、航空航天领域关键零部件,严重影响装备的寿命与可靠性。随着装备制造业不断发展与进步,长寿命、耐高温、耐腐蚀轴承需求日益剧增,这也对轴承钢综合性能提出了更为严苛的要求。高氮不锈轴承钢凭借高强度、高硬度、长寿命和优良的耐腐蚀性成为新型轴承材料研发热点。而我国高氮不锈轴承钢疲劳性能相关研究较为滞后。因此本文以高氮不锈轴承钢作为研究对象,通过组织调控,对其组织结构、旋转弯曲疲劳、滚动接触疲劳和疲劳机制进行系统深入研究。通过对高氮不锈轴承钢组织性能调控研究,发现V微合金化可以使高氮不锈轴承钢1050℃淬火原始奥氏体晶粒尺寸由无微合金化的16.0μm细化至10.3μm,经180℃回火后抗拉强度由1899.7MPa提升至1985.3MPa。500℃为高氮不锈轴承钢回火二次硬化峰值温度,500℃回火V微合金化钢硬度可达60.6HRC,抗拉强度提升至2257.6MPa。在500℃二次硬化峰值温度回火20h后,基体依然保持60HRC和2200MPa以上的超高硬度、强度,具有优良的回火稳定性。通过对高氮不锈轴承钢旋转弯曲疲劳性能研究,发现经180℃回火处理后无微合金化钢疲劳强度为715MPa,V微合金化钢疲劳强度为866.7MPa,提升152MPa,晶粒尺寸细化、基体韧性提升是其疲劳强度提高的主要原因。500℃回火V微合金化钢疲劳强度进一步提升至1020MPa。对旋转弯曲疲劳断口表征分析,发现基体组织是除夹杂物之外引起旋转弯曲疲劳失效的主要裂纹源,提出了“沿晶断裂”和“马氏体孪晶断裂”疲劳破坏失效机制。通过对高氮不锈轴承钢滚动接触疲劳性能研究,发现180℃回火处理后无微合金化钢滚动接触疲劳寿命L10为1.67 × 107,V微合金化钢L10为3.99×107,相比无微合金化钢提升约2.4倍,基体中晶粒尺寸细化是滚动接触疲劳寿命提高的主要原因。500℃回火无微合金化钢的L10为2.85×107,相比180℃回火提高了 1.7倍。本文通过对高氮不锈轴承钢组织结构与疲劳性能系统研究,发现V微合金化不仅能够大幅细化晶粒尺寸,而且显著提升了高氮不锈轴承钢的旋转弯曲疲劳强度和滚动接触疲劳寿命。发现了除夹杂物外的沿晶断裂裂纹和马氏体孪晶剪切断裂裂纹的高氮不锈轴承钢疲劳裂纹源。通过位错塞积理论,提出了基于微区应力集中的轴承钢疲劳模型,揭示了高氮不锈轴承钢旋转弯曲疲劳和滚动接触疲劳性能的晶粒尺寸控制机制,为更高性能轴承钢研制提供了理论基础。
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