夏云志，顏家森，于興福，魏英華，楊文武，劉雨健

(1.中國(guó)航發(fā) 哈爾濱軸承有限公司，黑龍江 哈爾濱 150500；2.中國(guó)航發(fā) 湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002；3.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

8Cr4Mo4V鋼具有高的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命、高的高溫硬度、高強(qiáng)度和高韌性等優(yōu)異的力學(xué)性能[1-7]，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)軸承制造。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，航空器的飛行速度提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比越來(lái)越高，發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的工作載荷越來(lái)越大，轉(zhuǎn)速越來(lái)越快，需要承受的工作溫度也越來(lái)越高。當(dāng)軸承的工作溫度高于150 ℃時(shí)，普通軸承鋼已經(jīng)難以達(dá)到要求，必須采用耐熱軸承鋼。8Cr4Mo4V鋼為高溫軸承制造用鋼，其可用于制造工作溫度范圍為100～300 ℃的軸承。

軸承是一種精密的機(jī)械基礎(chǔ)件，軸承內(nèi)圈及外圈的尺寸精度直接影響著軸承的制造質(zhì)量和使用壽命。我國(guó)制造軸承的精度等級(jí)偏低，軸承服役壽命不足，嚴(yán)重制約了我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的進(jìn)一步提升。而引起軸承尺寸變化的主要原因是軸承中亞穩(wěn)相的轉(zhuǎn)變和殘余應(yīng)力釋放，成品軸承存放和服役期間的尺寸變化可導(dǎo)致軸承裝配游隙超標(biāo)，改變軸承受力狀態(tài)，縮短軸承服役壽命[8-12]。

現(xiàn)有熱處理?xiàng)l件下，8Cr4Mo4V鋼制軸承套圈和滾動(dòng)體的主要組織是回火馬氏體+殘留奧氏體+碳化物，過(guò)飽和馬氏體和析出碳化物能夠保證其具有高硬度和耐磨性。但是馬氏體組織的不足之處是在軸承存放和服役期間會(huì)發(fā)生深度回火轉(zhuǎn)變，即固溶于馬氏體中的碳不斷析出，形成碳化物，降低了馬氏體的過(guò)飽和度，導(dǎo)致馬氏體的晶格尺寸減小，軸承套圈宏觀表現(xiàn)為尺寸減小。另外軸承套圈中的殘留奧氏體在存放和工作期間也會(huì)不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，將導(dǎo)致軸承的尺寸增大。殘留奧氏體轉(zhuǎn)變的馬氏體，仍然會(huì)發(fā)生回火轉(zhuǎn)變。另外，軸承在加工中形成的殘余應(yīng)力，在存放和工作條件下也會(huì)逐漸釋放，也是引起軸承尺寸變化的原因。

因此，本研究通過(guò)對(duì)8Cr4Mo4V鋼制造的一種直壁軸承外套圈在不同工作溫度下進(jìn)行保溫，模擬軸承工作溫度及變化，分析溫度、時(shí)間對(duì)軸承外套圈尺寸、表面殘余應(yīng)力和微觀組織的影響，進(jìn)而揭示軸承外套圈工作溫度下的尺寸及應(yīng)力變化特征。

1 試驗(yàn)材料與方法

采用8Cr4Mo4V鋼制備直壁圓筒形軸承外套圈，外套圈采用真空熱處理爐進(jìn)行淬火+回火處理，具體熱處理工藝如圖1所示。外套圈經(jīng)過(guò)淬火+回火處理后，外徑為φ73.77 mm，內(nèi)徑為φ64.4 mm，幅高為29.35 mm。

圖1 熱處理工藝曲線

將加工完成的成品軸承外套圈分別置于120、150、220和250 ℃的保溫箱中，模擬在工作溫度下保溫，然后每隔2 h取出，冷卻至室溫，再放入保溫箱中保溫，如此循環(huán)進(jìn)行，累積時(shí)間共計(jì)300 h(只包括在箱時(shí)間)，每累積10 h測(cè)量軸承外套圈尺寸。尺寸測(cè)量采用扭簧儀，精度為0.001 mm，經(jīng)不同時(shí)間保溫處理后，采用與軸承外套圈外徑或內(nèi)徑尺寸僅差幾微米的標(biāo)準(zhǔn)圓規(guī)，測(cè)量軸承外套圈內(nèi)、外徑尺寸，測(cè)量尺寸的位置固定。其中內(nèi)徑測(cè)量?jī)蓚€(gè)圓周位置，一個(gè)為內(nèi)徑低面，另一個(gè)為內(nèi)徑高面，內(nèi)徑低面位置為內(nèi)徑從底沿至高度為10 mm處的圓環(huán)位置，內(nèi)徑高面位置為內(nèi)徑從底沿至高度為19 mm的圓環(huán)位置，外徑低面和外徑高面位置分別為外徑環(huán)面從底沿至高度為7 mm和18 mm圓環(huán)位置，選擇的測(cè)量位置位于軸承外表面兩個(gè)溝槽之間。每次尺寸測(cè)量時(shí)沿外套圈測(cè)量5個(gè)點(diǎn)，然后取平均值作為該圓環(huán)處軸承外套圈的內(nèi)、外徑尺寸。尺寸測(cè)量位置如圖2所示。將測(cè)得的外套圈尺寸與標(biāo)樣之間的差值作為套圈的尺寸進(jìn)行記錄，并繪制尺寸變化規(guī)律。保溫累積期間每隔50 h，進(jìn)行一次-55 ℃ 的冷處理，冷處理時(shí)間為2.5 h，冷處理完成后，采用Stress-X型表面殘余應(yīng)力檢測(cè)儀，測(cè)定軸承外套圈內(nèi)、外徑表面的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)的位置與尺寸測(cè)量點(diǎn)的位置相同。

圖2 尺寸及殘余應(yīng)力檢測(cè)位置示意圖

取經(jīng)過(guò)淬火+回火處理的塊狀試樣，同爐隨軸承試樣進(jìn)行上述保溫處理，保溫至300 h后取出，采用Gemini 300型熱場(chǎng)掃描電鏡觀察試樣的微觀組織，組織觀察所用腐蝕劑的配比為：100 mL C2H5OH+2.5 g(NO2)3C6H2OH+5 mL HCl。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 尺寸及殘余應(yīng)力

工作溫度為120 ℃時(shí)，軸承外套圈內(nèi)、外徑不同位置處的尺寸和表面殘余應(yīng)力隨保溫時(shí)間的變化如圖3所示。直壁圓筒形軸承外套圈的內(nèi)、外徑尺寸隨保溫時(shí)間的增加逐漸增大，保溫期間尺寸增大量為1～1.5 μm。120 ℃下，測(cè)定內(nèi)外徑表面的殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，表面殘余應(yīng)力絕對(duì)值整體呈增大趨勢(shì)，內(nèi)徑殘余應(yīng)力值初始狀態(tài)為-500 MPa，隨著保溫時(shí)間的增加，其殘余應(yīng)力數(shù)值波動(dòng)劇烈，整體呈逐漸增大的趨勢(shì)，最大數(shù)值升至-1000 MPa，經(jīng)300 h保溫處理后殘余應(yīng)力值超過(guò)-800 MPa，內(nèi)徑表面殘余應(yīng)力增大幅度為300～400 MPa。而外徑表面的殘余應(yīng)力變化平緩，在個(gè)別時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)了應(yīng)力降低的特征，但整體呈逐漸增加趨勢(shì)，初始狀態(tài)下外徑表面的殘余應(yīng)力在-700～-800 MPa之間，經(jīng)300 h保溫處理后殘余應(yīng)力提高至-800 MPa左右，外徑表面殘余應(yīng)力增加了20～100 MPa。

圖3 120 ℃下軸承外套圈尺寸(a)和表面殘余應(yīng)力(b)隨時(shí)間的變化曲線

工作溫度為150 ℃時(shí)，軸承外套圈的尺寸和表面殘余應(yīng)力隨保溫時(shí)間的變化如圖4所示，內(nèi)、外徑的尺寸均逐漸增大，增大幅度為1～2 μm。內(nèi)徑表面殘余應(yīng)力絕對(duì)值整體呈上升趨勢(shì)，波動(dòng)幅度明顯，經(jīng)300 h保溫處理后殘余應(yīng)力在-900～-1000 MPa之間，殘余應(yīng)力增大了500～600 MPa；而軸承外套圈外徑表面殘余應(yīng)力變化平緩，有的區(qū)域表面殘余應(yīng)力絕對(duì)值先降低，然后又升高，而有的區(qū)域表面殘余應(yīng)力絕對(duì)值緩慢升高，但也存在降低的區(qū)域，外徑高面整體呈增大趨勢(shì)，其增大幅度為160 MPa左右，經(jīng)300 h保溫處理后軸承套圈外徑表面的殘余應(yīng)力值達(dá)到-800 MPa。

圖4 150 ℃下軸承外套圈尺寸(a)和表面殘余應(yīng)力(b)隨時(shí)間的變化曲線

220 ℃下，軸承外套圈尺寸及表面殘余應(yīng)力變化如圖5所示。尺寸變化特征為內(nèi)、外徑的尺寸整體上增大，增大幅度為1～2 μm。內(nèi)徑表面殘余應(yīng)力絕對(duì)值隨著保溫時(shí)間的增加先增大后減小，然后又增大，經(jīng)過(guò)300 h保溫處理后殘余應(yīng)力位于-600～-800 MPa之間，內(nèi)徑表面殘余應(yīng)力值增大幅度為220～400 MPa。外徑表面殘余應(yīng)力值初始態(tài)為-600～-800 MPa，保溫期間應(yīng)力值處于波動(dòng)狀態(tài)，既存在殘余應(yīng)力增大也存在殘余應(yīng)力減小，經(jīng)100 h保溫處理后，殘余應(yīng)力值變化波動(dòng)幅度減小，經(jīng)300 h保溫處理后的殘余應(yīng)力值為-680 MPa。

圖5 220 ℃下軸承外套圈尺寸(a)和表面殘余應(yīng)力(b)隨時(shí)間的變化曲線

250 ℃下，套圈內(nèi)徑和外徑的尺寸及表面殘余應(yīng)力變化如圖6所示。尺寸變化特征是內(nèi)徑及外徑的尺寸均波動(dòng)增大，最終增大幅度為1～2 μm。內(nèi)徑表面殘余應(yīng)力絕對(duì)值初始階段緩慢增大，當(dāng)保溫時(shí)間超過(guò)200 h時(shí)內(nèi)徑表面殘余應(yīng)力絕對(duì)值增大明顯，當(dāng)時(shí)間達(dá)到250 h時(shí)內(nèi)徑表面殘余應(yīng)力絕對(duì)值達(dá)到最大，內(nèi)徑高面的殘余應(yīng)力值達(dá)到了-1400 MPa，但保溫時(shí)間為300 h時(shí)又恢復(fù)至-700 MPa左右，應(yīng)力值增大幅度為100～300 MPa。外徑表面殘余應(yīng)力處于波動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到200 h時(shí)外徑高面殘余應(yīng)力絕對(duì)值最大，然后開(kāi)始出現(xiàn)緩慢降低，經(jīng)過(guò)300 h保溫處理后與初始狀態(tài)相比殘余應(yīng)力值大小相當(dāng)，殘余應(yīng)力最終保持在-700 MPa附近。

圖6 250 ℃下軸承外套圈尺寸(a)和表面殘余應(yīng)力(b)隨時(shí)間的變化曲線

2.2 微觀形貌

工作溫度下保溫300 h后軸承外套圈的微觀形貌如圖7所示。軸承鋼經(jīng)淬火+回火處理后，鋼中析出顆粒狀碳化物，但基體組織仍是回火馬氏體。經(jīng)120、150、220和250 ℃保溫處理300 h后，鋼中的組織發(fā)生了變化，析出的碳化物將基體分割呈塊狀，且隨著加熱溫度的升高，馬氏體發(fā)生深度回火，析出大量細(xì)小的毛狀碳化物。

圖7 不同工作溫度下保溫300 h后軸承外套圈的顯微組織

3 討論

3.1 工作溫度下尺寸變化特征

采用真空淬火+回火處理后的軸承外套圈，其組織主要由回火馬氏體+殘留奧氏體+碳化物構(gòu)成，一般情況下認(rèn)為已經(jīng)析出的碳化物為穩(wěn)定相，在工作溫度下不會(huì)引起尺寸的變化。但是殘留奧氏體和馬氏體均為亞穩(wěn)相，其在保溫條件下發(fā)生相轉(zhuǎn)變將引起尺寸變化。除了相變引起尺寸變化外，套圈中殘余應(yīng)力的釋放也是引起尺寸變化的因素，內(nèi)徑表面殘余壓應(yīng)力的釋放能夠使內(nèi)徑尺寸增大，而外徑表面殘余壓應(yīng)力的釋放，同樣會(huì)使外徑尺寸增大。另外，鋼中的殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體同樣會(huì)引起軸承外套圈尺寸增大，而馬氏體發(fā)生深度回火，碳化物自過(guò)飽和α-Fe中析出，引起軸承套圈尺寸減小。

本試驗(yàn)用到的直壁圓筒軸承外套圈幅高較大，達(dá)到了29.35 mm，因此外套圈在尺寸變化時(shí)，不同部分之間會(huì)存在差異，但是也會(huì)相互制約，各個(gè)部分尺寸的增大或者減小需要相互協(xié)調(diào)，最終導(dǎo)致軸承套圈尺寸變化平緩，波動(dòng)幅度較小。在120、150、220和250 ℃工作溫度下，軸承外套圈的尺寸變化特征相似，初始階段內(nèi)徑尺寸均為增大，同時(shí)套圈的外徑尺寸也增大，由不同溫度下的尺寸變化特征(見(jiàn)圖3～圖6)可見(jiàn)，在初始階段多數(shù)套圈外徑的尺寸增大幅度大于內(nèi)徑尺寸增大幅度，這是由于套圈在保溫0～30 h，鋼中同時(shí)發(fā)生著殘留奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變、馬氏體回火析出碳化物轉(zhuǎn)變和殘余應(yīng)力的釋放。其中殘留奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變使軸承外套圈尺寸增大，馬氏體回火析出碳化物使軸承套圈尺寸減小，而殘余應(yīng)力釋放使軸承套圈尺寸增大，最終軸承套圈所顯現(xiàn)的尺寸變化特征是三者綜合作用的結(jié)果。因?yàn)楣ぷ鳒囟葪l件下，碳的擴(kuò)散非常緩慢，馬氏體回火析出碳化物是一個(gè)緩慢的過(guò)程，該溫度下達(dá)到基體內(nèi)碳元素和析出碳化物之間的動(dòng)態(tài)平衡需要較長(zhǎng)的時(shí)間。因此在軸承套圈保溫處理的初始階段，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體和殘余應(yīng)力釋放主導(dǎo)軸承套圈尺寸變化。殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的相變行為，是使軸承外套圈體積增大的相變特征。理論上認(rèn)為軸承外套圈的體積膨脹會(huì)使外徑尺寸增大，內(nèi)徑尺寸減小，但是實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)表明，軸承外套圈的內(nèi)、外徑尺寸均增大，這主要是由于殘余應(yīng)力釋放引起了軸承套圈的尺寸增大，外徑尺寸的增大幅度大于內(nèi)徑尺寸的增大幅度，恰恰說(shuō)明了殘留奧氏體轉(zhuǎn)變和應(yīng)力釋放同時(shí)發(fā)生，使軸承套圈的外徑尺寸變化量大于內(nèi)徑尺寸變化量。當(dāng)保溫時(shí)間超過(guò)30 h后，軸承套圈的尺寸處于波動(dòng)狀態(tài)，時(shí)而增大，時(shí)而減小，但總體變化趨勢(shì)緩慢增大，分析認(rèn)為保溫30～300 h之間，大部分殘留奧氏體已經(jīng)向馬氏體轉(zhuǎn)變，該階段引起尺寸變化的主導(dǎo)因素為殘余應(yīng)力的釋放，但是也存在少量的殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體和馬氏體深度回火，因此該階段的尺寸處于波動(dòng)狀態(tài)。

3.2 工作溫度下表面殘余應(yīng)力變化特征

理論分析認(rèn)為，無(wú)論是內(nèi)徑殘余應(yīng)力的釋放還是外徑殘余應(yīng)力的釋放，只能使軸承套圈中的殘余壓應(yīng)力數(shù)值減小，而不會(huì)引起殘余壓應(yīng)力數(shù)值的增大，但是由測(cè)定殘余應(yīng)力數(shù)值可見(jiàn)，軸承套圈內(nèi)外徑的殘余應(yīng)力均存在波動(dòng)，內(nèi)徑表面殘余應(yīng)力波動(dòng)幅度大，外徑表面殘余應(yīng)力波動(dòng)幅度小，隨著保溫時(shí)間的增加，殘余應(yīng)力整體上呈上升趨勢(shì)，且內(nèi)徑殘余應(yīng)力的增大幅度大于外徑殘余應(yīng)力的增大幅度，如圖3～圖6所示。這是因?yàn)檩S承套圈中除了殘余應(yīng)力釋放，相變也會(huì)引起殘余應(yīng)力的變化。相變引起殘余應(yīng)力變化的因素主要有兩個(gè)方面，一是軸承鋼中奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，體積膨脹引起殘余壓應(yīng)力增大，無(wú)論是軸承套圈的外徑和內(nèi)徑區(qū)域，殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變均會(huì)引起體積膨脹，引起殘余壓應(yīng)力增大。當(dāng)軸承套圈的內(nèi)徑區(qū)域和外徑區(qū)域均發(fā)生殘留奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，外徑區(qū)域與內(nèi)徑區(qū)域相比應(yīng)力更容易釋放，外徑區(qū)域殘余應(yīng)力釋放量大于內(nèi)徑區(qū)域，因此內(nèi)徑區(qū)域殘余應(yīng)力增大值高于外徑區(qū)域。而殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變又與殘余應(yīng)力的大小存在一定關(guān)系，殘余壓應(yīng)力起抑制殘留奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的作用，壓應(yīng)力數(shù)值越高，殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的數(shù)量就會(huì)越少。具有高的壓應(yīng)力區(qū)域不利于殘留奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致在相同的保溫溫度和時(shí)間下，內(nèi)徑區(qū)域殘留奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變量少于外徑區(qū)域的轉(zhuǎn)變量。二是馬氏體的回火和深度回火，碳化物自過(guò)飽和的α-Fe中析出，引起軸承外套圈體積減小。理論分析認(rèn)為，保溫期間受應(yīng)力影響軸承外套圈內(nèi)、外徑區(qū)域殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的數(shù)量不同，外徑區(qū)域有更多的殘留奧氏體轉(zhuǎn)變成了馬氏體，因此外徑區(qū)域會(huì)有更多數(shù)量的馬氏體發(fā)生回火轉(zhuǎn)變，將導(dǎo)致外徑區(qū)域體積減小幅度大于內(nèi)徑區(qū)域，外徑區(qū)域的尺寸減小量大于內(nèi)徑區(qū)域，而內(nèi)徑區(qū)域又會(huì)限制外徑區(qū)域的縮小，從而導(dǎo)致內(nèi)徑區(qū)域殘余壓應(yīng)力增大。

當(dāng)外徑尺寸減小幅度大于內(nèi)徑尺寸減小幅度時(shí)，內(nèi)徑殘余應(yīng)力增大的同時(shí)，在某些套圈上也會(huì)表現(xiàn)出外徑殘余壓應(yīng)力減小，如圖3、圖5和圖6中在保溫200～300 h時(shí)，部分軸承套圈的外徑殘余應(yīng)力存在降低階段。因此可以通過(guò)對(duì)軸承套圈表面殘余應(yīng)力變化特征的分析，確定出工作溫度及不同時(shí)間軸承套圈中發(fā)生的主要相變類型。

初始狀態(tài)下，軸承外套圈內(nèi)、外徑表面的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，內(nèi)徑殘余應(yīng)力數(shù)值范圍為-400～-500 MPa，而外徑表面殘余壓應(yīng)力較高，為-600～-800 MPa，且多集中在-700 MPa以上。工作溫度下，隨著保溫時(shí)間的增加，內(nèi)徑表面的殘余應(yīng)力增大，同時(shí)其波動(dòng)幅度較大。引起內(nèi)徑表面殘余應(yīng)力增大的主要原因包括：①軸承外套圈中殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，體積膨脹；②內(nèi)徑區(qū)域因回火減小的尺寸小于外徑區(qū)域。軸承在工作溫度保溫期間，這兩種轉(zhuǎn)變特征均會(huì)存在，在二者共同作用下導(dǎo)致內(nèi)徑表面殘余應(yīng)力增大?？梢源_定，當(dāng)內(nèi)徑表面殘余應(yīng)力增大幅度最大時(shí)，為殘留奧氏體轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的體積增大最大階段。當(dāng)套圈在工作溫度下發(fā)生殘余應(yīng)力釋放時(shí)，套圈殘余應(yīng)力會(huì)有所降低，但是同時(shí)尺寸會(huì)增大。不同溫度下經(jīng)300 h保溫處理后，軸承套圈的內(nèi)徑表面殘余應(yīng)力與原始態(tài)相比增大量的比較如圖8所示。

圖8 不同工作溫度下軸承外套圈內(nèi)徑表面殘余應(yīng)力變化量

由圖8可知，當(dāng)工作溫度為120 ℃時(shí)，內(nèi)徑表面殘余應(yīng)力增加幅度較小，當(dāng)工作溫度為150 ℃時(shí)，殘余應(yīng)力增大幅度較大，當(dāng)溫度為220 ℃和250 ℃時(shí)，隨著溫度增加，內(nèi)徑殘余應(yīng)力增大幅度降低。說(shuō)明，在150 ℃時(shí)，殘留奧氏體更容易向馬氏體轉(zhuǎn)變，體積膨脹導(dǎo)致內(nèi)徑殘余應(yīng)力增大，但是該溫度下，殘余應(yīng)力的釋放又比較緩慢，因此內(nèi)徑殘余應(yīng)力增大幅度最大。由圖4(b)可知，在100 h前軸承套圈內(nèi)徑低面的殘余應(yīng)力大幅度增加，說(shuō)明套圈中殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的數(shù)量較多，當(dāng)保溫處理時(shí)間為100～250 h階段時(shí)，內(nèi)徑低面的殘余應(yīng)力降低，同時(shí)外徑低面的殘余應(yīng)力也出現(xiàn)了降低，印證了該區(qū)域在初始階段生成了大量馬氏體，此期間發(fā)生了回火析出碳化物，降低了表面殘余應(yīng)力。

初始狀態(tài)下，軸承套圈外徑表面的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，數(shù)值范圍為-600～-800 MPa，工作溫度下，隨著保溫時(shí)間的增加，外徑表面的殘余應(yīng)力增大。不同溫度下軸承套圈的外徑表面殘余應(yīng)力變化量如圖9所示。由圖9可知，當(dāng)工作溫度為120 ℃時(shí)，殘余應(yīng)力增加量較小，當(dāng)工作溫度為150 ℃時(shí)，殘余應(yīng)力增大量較大，當(dāng)溫度為220 ℃時(shí)，其增大量與150 ℃相當(dāng)，當(dāng)溫度為250 ℃時(shí)，外徑表面殘余應(yīng)力增大量降低。外徑表面殘余壓應(yīng)力的增大，主要與殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相關(guān)，當(dāng)溫度為150 ℃和220 ℃時(shí)，殘余壓應(yīng)力增大幅度最大，可以確定在該溫度條件下，殘留奧氏體更容易轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。而馬氏體發(fā)生深度回火導(dǎo)致的體積收縮，將降低外徑表面的壓應(yīng)力，但是實(shí)測(cè)條件下外徑表面的殘余壓應(yīng)力數(shù)值仍然為增大狀態(tài)，說(shuō)明在300 h的整個(gè)保溫期間，殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體導(dǎo)致體積膨脹增加的殘余壓應(yīng)力數(shù)值，大于馬氏體回火收縮導(dǎo)致的殘余壓應(yīng)力降低值。當(dāng)溫度為250 ℃后，馬氏體回火程度增加，同時(shí)在較高的溫度條件下更有利于殘余壓應(yīng)力的釋放，因此最終的表面殘余壓應(yīng)力數(shù)值降低。

圖9 不同工作溫度下軸承外套圈外徑表面殘余應(yīng)力變化量

無(wú)論是內(nèi)徑表面殘余應(yīng)力，還是外徑表面殘余應(yīng)力，在長(zhǎng)時(shí)間保溫期間，其表面的殘余應(yīng)力都是發(fā)生相變產(chǎn)生的應(yīng)力和溫度作用下的應(yīng)力釋放綜合作用的結(jié)果，當(dāng)相變完全后，其表面殘余應(yīng)力均會(huì)因其緩慢釋放而逐漸降低，本試驗(yàn)中因?yàn)闀r(shí)間僅僅為300 h，所以相變對(duì)殘余應(yīng)力的影響尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，仍然處于變化過(guò)程中。不同工作溫度條件下，經(jīng)過(guò)300 h保溫處理后，軸承套圈內(nèi)、外徑表面的最終殘余應(yīng)力如圖10所示。

圖10 保溫300 h后軸承外套圈內(nèi)徑(a)和外徑(b)表面殘余應(yīng)力

由圖10(a)可知，當(dāng)工作溫度為120 ℃時(shí)內(nèi)徑表面最終殘余應(yīng)力為-850 MPa左右，當(dāng)溫度提高至150 ℃時(shí)內(nèi)徑表面最終殘余應(yīng)力達(dá)到最大值，為-950 MPa左右，然后隨著溫度增加，表面殘余應(yīng)力數(shù)值降低，當(dāng)溫度達(dá)到250 ℃時(shí)，表面殘余應(yīng)力達(dá)到最小值，為-718 MPa 左右。由圖10(b)可知，當(dāng)工作溫度為120 ℃時(shí)，外徑表面殘余應(yīng)力為-800 MPa左右，當(dāng)溫度提高至150 ℃時(shí)外徑表面殘余應(yīng)力最大，為-865 MPa左右，然后隨著溫度增加，表面殘余應(yīng)力值降低，當(dāng)溫度為250 ℃時(shí)，表面壓應(yīng)力稍有上升，但上升幅度不大。

內(nèi)外徑表面的最終殘余應(yīng)力數(shù)值均隨著工作溫度的增加整體下降，說(shuō)明工作溫度提高有利于表面殘余應(yīng)力的釋放。

4 結(jié)論

8Cr4Mo4V鋼制直壁圓筒形軸承外圈經(jīng)淬火+回火處理，加工至最終尺寸后，在工作溫度為120、150、220和250 ℃保溫處理300 h后，測(cè)定軸承套圈的尺寸和表面應(yīng)力變化得到以下主要結(jié)論：

1)在120、150、220和250 ℃工作溫度下，保溫至300 h后軸承外套圈的尺寸均增加1～2 μm，初始階段軸承外套圈外徑尺寸增大幅度大于內(nèi)徑尺寸增大幅度。

2)工作溫度下，因內(nèi)徑、外徑區(qū)域相轉(zhuǎn)變的差異性，導(dǎo)致殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，馬氏體深度回火，均會(huì)使軸承套圈內(nèi)徑表面殘余應(yīng)力增加，溫度為150 ℃時(shí)，內(nèi)、外徑表面殘余應(yīng)力增加幅度達(dá)到最大值，之后隨著保溫溫度的升高，表面殘余應(yīng)力增加幅度降低。隨著工作溫度的提高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，300 h處理后軸承外套圈表面殘余應(yīng)力因釋放而逐漸降低。

3)在保溫初期，軸承外套圈內(nèi)徑和外徑表面殘余應(yīng)力的增大是由于軸承鋼中殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，發(fā)生體積膨脹引起的。馬氏體發(fā)生深度回火導(dǎo)致體積收縮，當(dāng)套圈內(nèi)、外徑尺寸收縮量不同時(shí)，將引起內(nèi)、外徑表面殘余應(yīng)力變化趨勢(shì)不同，尺寸收縮將導(dǎo)致內(nèi)徑表面殘余壓應(yīng)力增大，而外徑表面殘余壓應(yīng)力減小。較低的工作溫度有利于殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而高的工作溫更有利于馬氏體深度回火和殘余應(yīng)力的釋放。