牙轮钻头滑动轴承材料的力学性能试验
伍开松 马德坤
摘要：牙轮钻头滑动轴承副可用20CrNiMo钢和20Ni4Mo钢配对，二者经热处理以后，表面较内部材料的性能有很大的差异。为此各对20CrNiMo钢和20Ni4Mo钢的三种试样进行了力学性能测试。结果表明，滑动轴承副经渗碳热处理后表面材料比内部材料的抗压强度提高了近50%，其表面材料的应力-应变几近直线关系，破坏前没有明显的屈服变形阶段。这种表面强度硬度高、中间韧性好的特性，正好满足了滑动轴承对表面耐磨和心部抗冲击、抗振动的要求。
关键词：20CrNiMo；20Ni4Mo；牙轮钻头；滑动轴承；力学性能
1、引言
牙轮钻头滑动轴承副的材料20CrNiMo钢和20Ni4Mo钢经热处理以后，表面材料的力学性能较内部材料有多大的差异，这是有关人员十分关注的问题。无论进行牙轮钻头滑动轴承的失效分析，还是进行轴承的设计和分析计算，轴承副材料的力学性能指标都是最基本的数据。尤其是进行牙轮钻头滑动轴承的有限元接触应力分析计算更是必不可少的，但至今未见这方面的报道。
大量的现场牙轮钻头滑动轴承的失效分析和有关的试验研究表明，牙轮钻头滑动轴承的主要失效形式是滑动轴承摩擦副的粘着磨损失效和磨粒磨损失效。因此研究轴承摩擦副表面材料的力学性能是一件很有意义的工作。
2、试样制备和试验方法
对于牙爪轴劲的材料20CrNiMo钢，选用三种方案的试样，每种方案制作了6件试样。方案1用GB228-87标准的拉伸试样[1]，材料为钢厂供货态。方案2用图1圆筒状的试样，材料经过淬火和回火处理后，其力学性能与牙爪轴颈内部材料的力学性能相当，硬度为37-40HRC。方案3也用图1圆筒状的试样，材料经渗碳淬火热处理，要求整个筒体的筒壁必须渗透，整个试样材料的力学性能与牙爪轴颈的表面材料的力学性能相当，硬度为56-59HRC。对于牙轮材料20Ni4Mo钢，也用以上三种方案的试样，每种方案也制作6件试样。
对上述两种材料的三种试件方案，共计六组交接班伸或压缩试样，分别在MTS材料性能试验机上测试，每组试验重复6次，对各数据进行处理，取6次数据的平均值作为材料的力学性能指标。
3、试验结果与分析
表1-6为试样结果。20CrNiMo钢和20Ni4Mo钢方案1的典型拉伸应力-应变曲线分别见图2a和2b，可见该材料没有明显的屈服流动阶段，且塑性伸长较大。从断口看，有明显的颈缩现象。
20CrNiMo钢和20Ni4Mo钢方案2的典型压缩应力-应变曲线分别见图3a和3b。可见材料也没有明显的屈服流动阶段，有一定的塑性变形。从破坏的试件看，筒体的中间有鼓胀现象。20CrNiMo和20Ni4Mo钢经方案3处理后，其抗压强度较其内部材料（方案2）分别平均高出约48%和44.5%，但其弹性模量的增加不明显，分别平均增加约6.4%和6.9%。它们的应力-应变几乎成直线关系，破坏前没塑性变形阶段。
4、结论
选取20CrNiMo和20Ni4Mo钢分别为牙爪轴颈和牙轮的材料，用方案3处理其配合表面是合适的。其表面抗压强度和硬度较其心部有大幅度提高，心部材料的韧性好，能满足低速重载的牙轮钻头滑动轴承的表面耐磨和抗胶合，同时又能满足抗冲击和振动的要求。
表1 20CrNiMo钢方案1的拉伸性能测试数据
| 性能指标 | 试件号 | 平均值 | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ||
| 比例极限力Fp/kN | 59.4 | 61.5 | 60.6 | 60.4 | 60.7 | 60.9 | 60.6 |
| 比例应力σp/MPa | 756.8 | 782.9 | 771.1 | 769.4 | 772.2 | 803.8 | 776.0 |
| 最大拉力Fb/kN | 103.2 | 103.5 | 94.6 | 110.4 | 104.9 | 96.6 | 102.2 |
| 抗拉强度σp/MPa | 1313.6 | 1317.3 | 1205 | 1262.8 | 1335.5 | 1274.8 | 1284.8 |
| 比例极限应变εp，*10-3 | 0.381 | 0.410 | 0.392 | 0.366 | 0.410 | 0.447 | 0.401 |
| 弹性模量E/GPa | 209.6 | 210.7 | 208.4 | 217.3 | 197.8 | 204.7 | 208.1 |
| 断后的长度L1/mm | 114.3 | 113.8 | 113.7 | 114.2 | 113.3 | 114.2 | 113.9 |
| 断后伸长率ε,% | 14.3 | 13.8 | 13.7 | 14.2 | 13.3 | 14.2 | 13.9 |
| 颈缩直径d1/mm | 7.2 | 7.2 | 7.3 | 7.2 | 7.0 | 7.2 | 7.2 |
| 断面收缩率ψ，% | 48.16 | 48.16 | 46.71 | 48.16 | 51.00 | 48.16 | 48.16 |
| 打印采样间隔/s | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
表2 20CrNiMo钢方案2的压缩性能测试数据
| 性能指标 | 试件号 | 平均值 | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ||
| 比例压缩应力σp/MPa | 814 | 824 | 810 | 806 | 817 | 807 | 813 |
| 抗压强度σb/MPa | 1247 | 1263 | 1236 | 1259 | 1262 | 1255 | 1254 |
| 比例极限应变εp，*10-3 | 0.420 | 0.419 | 0.415 | 0.420 | 0.419 | 0.417 | 0.418 |
| 弹性模量E/GPa | 223 | 217 | 218 | 216 | 219 | 214 | 218 |
表3 20CrNiMo钢方案3的压缩性能测试数据
| 性能指标 | 试件号 | 平均值 | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ||
| 抗压强度σb/MPa | 1849 | 1857 | 1842 | 1854 | 1855 | 1874 | 1855 |
| 弹性模量E/GPa | 235 | 231 | 237 | 241 | 219 | 228 | 232 |
表4 20Ni4Mo钢方案1的拉伸性能测试数据
| 性能指标 | 试件号 | 平均值 | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ||
| 比例极限力Fp/kN | 79.8 | 80.8 | 81 | 80.7 | 79.9 | 80.1 | 80.4 |
| 比例应力σp/MPa | 1017 | 1028 | 1032 | 1028 | 1017 | 1020 | 1024 |
| 最大拉力Fb/kN | 127.1 | 122.8 | 126.8 | 125.0 | 124.3 | 126.9 | 125.5 |
| 抗拉强度σp/MPa | 1619 | 1564 | 1615 | 1592 | 1583 | 1616 | 1599 |
| 比例极限应变εp，*10-3 | 0.527 | 0.527 | 0.513 | 0.527 | 0.491 | 0.505 | 0.515 |
| 弹性模量E/GPa | 199 | 201 | 207 | 203 | 219 | 209 | 206 |
| 断后的长度L1/mm | 114.5 | 114.7 | 114.9 | 114.5 | 114.2 | 115 | 114.6 |
| 断后伸长率ε,% | 14.5 | 14.7 | 14.9 | 14.5 | 14.2 | 15.0 | 14.6 |
| 颈缩直径d1/mm | 7.3 | 7.1 | 7.5 | 7.4 | 7.2 | 7.2 | 7.3 |
| 断面收缩率ψ，% | 46.71 | 49.59 | 43.75 | 45.24 | 48.16 | 48.16 | 46.71 |
| 打印采样间隔/s | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
表5 20Ni4Mo钢方案2的压缩性能测试数据
| 性能指标 | 试件号 | 平均值 | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ||
| 比例压缩应力σp/MPa | 1032 | 1077 | 1045 | 1028 | 1017 | 1020 | 1036 |
| 抗压强度σb/MPa | 1513 | 1440 | 1527 | 1496 | 1485 | 1514 | 1496 |
| 比例极限应变εp，*10-3 | 0.522 | 0.506 | 0.542 | 0.516 | 0.511 | 0.501 | 0.517 |
| 弹性模量E/GPa | 217 | 223 | 215 | 219 | 219 | 221 | 219 |
表6 20Ni4Mo钢方案3的压缩性能测试数据
| 性能指标 | 试件号 | 平均值 | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ||
| 抗压强度σb/MPa | 2129 | 2165 | 2191 | 2168 | 2112 | 2200 | 2161 |
| 弹性模量E/GPa | 236 | 235 | 227 | 229 | 244 | 232 | 234 |
参考文献：
1、姚启均 金属力学性能试验常用数据手册[M] 北京：机械工业出版社，1994
2、魏庆诚 高淬透性新型石油钻头钢的开发与应用[J] 机械工程材料，1995，19（5）：35-39
3、赵康，郑修麟，井晓天，等 不同碳含量的CrNiMo钢疲劳裂纹扩展特性[J] 机械科学与技术，1999，18（1）：127-129
