滾動軸承的接觸疲勞微觀機理及影響因素

劉耀中，張旭，楊柳

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039; 2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3. 滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

滾動軸承在使用中承受較大的接觸應力，滾動接觸疲勞是其主要的失效模式之一。軸承設計中，疲勞壽命是主要的優(yōu)化目標和設計依據(jù)。ISO 281—2007《滾動軸承 額定動載荷和額定壽命》給出了軸承疲勞壽命的計算方法；不少公司也開發(fā)了自己的壽命計算方法和相應的設計分析軟件。隨著軸承鋼質量的提高、軸承加工裝配設備和工藝的改進，軸承的實際使用壽命顯著提高。隨著主機的小型化、輕量化、長壽命化和高可靠性要求的不斷提高，軸承的工況條件越來越苛刻，如使用溫度升高、承受的接觸載荷加重，同時要求軸承具有更長的壽命和更高的可靠性。

關于滾動接觸疲勞的機理，尤其對疲勞的微觀機理，國外學者進行了較為系統(tǒng)深入的探討，如疲勞的起源部位、疲勞過程中的顯微組織變化、工況條件的影響等。下文擬對疲勞微觀機理及影響因素的部分研究成果進行歸納整理，以期對滾動接觸疲勞機理及影響因素進行初步了解，為提高軸承的疲勞壽命提供參考。

1 滾動接觸疲勞的微觀機理

在外載荷的作用下，套圈滾道面和滾動體之間的接觸應力分布如圖1所示。圖1a 為典型的球軸承接觸狀態(tài)，a，b分別為接觸橢圓的長、短半軸；圖1b為典型的滾動軸承的接觸狀態(tài)，b為接觸半寬，L為接觸長度。x-y平面為滾動接觸面，y軸為滾動方向；z軸為載荷作用方向；σ為接觸應力；σmax為最大接觸應力。

圖1 接觸區(qū)的應力分布

在接觸載荷的作用下，接觸面處的材料內產(chǎn)生剪切應力，最大正交剪切應力τ0作用深度為z0。τ0沿滾動方向的分布如圖2所示[1]。隨著軸承的旋轉，某一位置處的剪切應力隨之發(fā)生周期性變化。當剪切應力的幅值不斷增大時，位于應力場內的微區(qū)材料發(fā)生位錯運動，產(chǎn)生微觀塑性變形。隨應力循環(huán)次數(shù)的增加，積累的微觀塑性變形越來越多，達到一定的程度后在材料中產(chǎn)生微裂紋，即疲勞源。隨后微裂紋向表面擴展，最終導致材料從滾動表面剝落，即次表面起源型疲勞剝落。因為z0處的剪切應力最大，其微觀塑性變形最大，是疲勞源形成的優(yōu)先位置。在不同載荷作用下，

圖2 z=z0時，τ0/σmax沿滾動方向的分布

軸承最大剪切應力的作用深度z0不同。對于點接觸，z0=0.467b；而對于線接觸，z0=0.786b[1]。對于一般工況條件下的軸承，z0為數(shù)百微米。

2 疲勞過程中的顯微組織變化

在一定周次的接觸應力循環(huán)后，軸承滾道面下會出現(xiàn)屈氏體形態(tài)結構以及交錯的灰色線[4]，屈氏體結構稱為黑色腐蝕區(qū)(DEA)，灰色線稱為白色腐蝕帶(WEB)。由于WEB的特定取向，其可分為30°帶和80°帶，形成機理為[5]：結構變化由原馬氏體結構的衰變引起，而原馬氏體結構的衰變則由接觸循環(huán)引起。這些變化在低于極限接觸載荷值時觀察不到，表明重載下的塑性變形是產(chǎn)生這些變化的根本原因。DEA首先出現(xiàn),其由含有均勻分布的過量碳的鐵素體相組成，并混有殘留馬氏體。當用硝酸乙醇溶液腐蝕并在光學顯微鏡下觀察時，該區(qū)域非常暗。隨著進一步的接觸循環(huán)，另一個相出現(xiàn)在DEA，即鐵素體相，腐蝕后成白色，相對于滾道面傾斜30°,夾在稱為晶狀碳化物的富碳圓盤之間。在接觸循環(huán)疲勞過程中，碳在白色腐蝕區(qū)擴散，并在邊緣析出，形成白色腐蝕帶和碳化物圓盤。隨著進一步循環(huán)，另一種結構出現(xiàn)在變化區(qū)域，該相與30°腐蝕帶近似，但其更密集、更長、更淺，并與滾道的傾斜角度為80°。該白色帶狀物與原始的微觀結構相比硬度較低。30°帶狀物中的碳含量大約為0.2%，80°帶中幾乎為0。碳的擴散程度最能解釋白色腐蝕帶的發(fā)展機理，其變化過程如圖3所示。

圖3 深溝球軸承內圈溝道面下的組織變化(截面平行于滾動方向，垂直于溝道面)

滾動接觸疲勞就是一個損傷累積的過程，其微觀表現(xiàn)是局部發(fā)生微觀塑性變形(位錯發(fā)生移動)，且微觀變形不斷積累(位錯密度不斷增加)，使顯微組織發(fā)生變化，直至產(chǎn)生微裂紋并擴展至表面。在這一過程中，有2個相互促進的因素推動局部微觀塑性變形：位錯運動和碳原子的擴散。足夠大的剪切應力推動位錯運動并使位錯密度不斷增加，提供碳原子在鐵晶格間隙擴散所需的激活能(約84 kJ/mol[7]),促進了碳原子的擴散；而碳原子的擴散使細小的ε-碳化物溶解和回火馬氏體中過飽和碳逸出，使基體強度降低，更有利于位錯運動，也更有利于局部微觀塑性變形的發(fā)生。2個因素交互作用使馬氏體基體中的位錯密度不斷增加，碳含量(包括ε-碳化物)越來越低，形成碳含量較低(30°帶)或幾乎不含碳(80°帶)的淺色或白色鐵素體條。該鐵素體條是大量塑性變形的產(chǎn)物，其中的位錯胞將其分割成為細小的納米尺度(約20 nm)的晶粒。據(jù)SEM/TEM觀測，30°帶的厚度約為3 μm,長度大于50 μm；80°帶的厚度約為10 μm,長度可達100 μm[8]。而來自于碳化物溶解的碳和馬氏體中逸出的過飽和碳，在白色條帶的邊界上以片狀碳化物的形式析出。

另一類組織變化型剝落如圖4所示[9]。其與次表面起源型剝落的組織變化不同，白色組織及隨后出現(xiàn)的裂紋優(yōu)先發(fā)生在原始晶界上，呈不規(guī)則形態(tài)，這種剝落稱之為異常白色組織剝落，多發(fā)生在汽車動力傳動系統(tǒng)及其周圍的輔助設備(如發(fā)電機、皮帶輪)、風電齒輪箱軸承，該類軸承工作溫度、速度及載荷均較高，且存在電流或電荷。與次表面起源的疲勞剝落相比，其疲勞壽命大幅度下降，約為計算壽命的1/10。關于這種異常白色組織剝落，將另文討論。

圖4 異常白色組織變化型剝落

3 影響疲勞的因素

從疲勞微觀機理看,凡是影響剪切應力、位錯運動、碳原子擴散的因素均會影響軸承的滾動接觸疲勞。

3.1 最大接觸應力

顯微組織變化與最大接觸應力σmax及軸承工作轉數(shù)的關系如圖5所示[7]。滾動接觸過程中，最大Hertz接觸應力越大，次表面的剪切應力越大，次表面越易發(fā)生局部微觀塑性變形和組織變化。圖中所給的應力水平較高，軸承設計的許用應力為4 GPa，相當于38%的額定動載荷Cr；而一般工況下軸承的最大接觸應力為10%Cr，即約1 GPa。出現(xiàn)白色組織時軸承壽命很長，承受一般動載荷的軸承往往在整個軸承壽命期間都可能不出現(xiàn)白色組織。近年來，隨著主機的小型化，實際應用中軸承承受的載荷越來越大，出現(xiàn)白色組織剝落的軸承越來越常見，軸承壽命變短。從設計、制造、使用的角度，使軸承承載時承載區(qū)內的接觸應力均勻分布，減少應力集中，降低最大接觸應力，有助于提高軸承壽命。如降低粗糙度，對滾子軸承采用“一凸”、“二凸”、“三凸”，保證安裝對中等。

圖5 顯微組織變化與最大接觸應力及內圈轉數(shù)的關系

3.2 工作溫度

工作溫度對接觸疲勞壽命的影響及相應的組織變化分別如圖6、圖7所示[10]。由圖可知，溫度由100 ℃升高到170 ℃時，L10壽命降低了10倍以上。

圖6 σmax=5.5 GPa時溫度對壽命的影響

圖7 不同溫度下的顯微組織變化

一般軸承的工作溫度為100 ℃以下，若工作溫度升高，疲勞壽命明顯下降，對應的顯微組織出現(xiàn)的時間越早，白色組織的數(shù)量越多，厚度越大。溫度影響碳的擴散，擴散系數(shù)隨溫度升高呈指數(shù)增大，使組織變化加快。近年來，隨著輔機軸承的工作部位越來越靠近發(fā)動機，軸承的工作溫度升高，工作壽命縮短，解剖失效軸承往往發(fā)現(xiàn)白色組織。

3.3 接觸潤滑狀態(tài)

滾動軸承理想的接觸潤滑狀態(tài)為充分的彈性流體動壓潤滑，但實際工作中往往達不到該理想狀態(tài)。潤滑油供給不足、振動沖擊等，使?jié)L動接觸面的粗糙峰發(fā)生直接接觸，一是增加了局部接觸應力；二是使表面剪切應力增大，使疲勞源向表面推移。同時金屬的直接接觸對潤滑劑的分解起催化作用，產(chǎn)生氫原子，促進異常白色組織的形成。

3.4 材料及熱處理狀態(tài)

3.4.1 鋼的潔凈度和均勻性

以上所論均假定材料組織的馬氏體基體上分布著均勻細小的碳化物顆粒。但實際軸承鋼中不可避免地存在各種尺寸不一、分布不均的夾雜物，高硬度的夾雜物(如氧化物、Ti(C，N))與馬氏體基體相結構不同：一方面，形成位錯運動難以切過的相界，使位錯在相界上堆積，造成微區(qū)應力集中；另一方面，因物理性能不同，熱處理過程中在夾雜物周圍產(chǎn)生相變應力集中。二者綜合，使夾雜物的周圍成為微觀塑性變形的集中區(qū)和疲勞裂紋的優(yōu)先成核部位。尤其是夾雜物剛好處于最大剪切應力區(qū)，更是如此。球軸承溝道下夾雜物周圍的組織變化和微裂紋形貌如圖8所示[1]。由圖可知，在夾雜物周圍的特定方向上形成粗大的白色條帶，形如蝴蝶翅膀；在白色帶的邊界及帶中有微裂紋產(chǎn)生。蝴蝶斑是由超細的鐵素體晶粒和碳化物組成，其形成機理和30°帶、80°帶類似，均為大量局部微觀塑性變形產(chǎn)物[11]。另外，有些尺寸較大的硬脆夾雜物在鋼材的軋制或軸承零件毛坯的壓力成形加工中破裂，直接成為疲勞源。該夾雜物處于表面時，由潤滑油滲入其中形成油楔，成為表面起源型疲勞剝落的形核部位。因此，夾雜物數(shù)量越多，尺寸越大，形狀越不規(guī)則，與基體的性能差別越大，則軸承的疲勞壽命越低。氧化物和硅酸鹽類夾雜物危害較大，通過控制鋼中的氧含量，可以有效降低夾雜物的數(shù)量，提高軸承接觸疲勞壽命。在氧含量降至0.001%以下時，由于夾雜物尺寸分布不均會出現(xiàn)壽命分散現(xiàn)象。盡管夾雜物的總量較少，一批軸承的總體平均壽命隨氧含量的降低而變長，但某個軸承零件中個別大的夾雜物剛好處于最大剪切應力區(qū)或滾動接觸面上，使其壽命明顯低于其他軸承。故在氧含量降低的情況下，欲保證軸承壽命一致性(或可靠度)，必須嚴格控制夾雜物的尺寸均勻性。

圖8 夾雜物周圍的蝴蝶狀白色腐蝕區(qū)及微裂紋

從材料的強化機理看，使鋼中硬的夾雜物呈細小均勻的彌散分布，可以起到彌散強化作用，有利于提高鋼的強度。但目前的煉鋼和軋制成材的技術還不能使夾雜物的尺寸及分布達到該要求，夾雜物對疲勞強度和壽命有明顯的負作用，因此應嚴格控制鋼中夾雜物的數(shù)量、尺寸和分布。

3.4.2 鋼中合金元素

軸承鋼中的合金元素(Cr，Si，Mo，W，V等)主要通過影響碳的擴散、回火馬氏體的穩(wěn)定性(包括ε-碳化物和馬氏體基體的穩(wěn)定性)、固溶強化、彌散強化等方面影響微區(qū)塑性變形和組織轉變，從而影響疲勞壽命。非碳化物形成元素(Si，Co)溶入鐵素體及ε-碳化物中，可提高回火馬氏體的穩(wěn)定性，延緩碳化物的轉變和長大，同時具有固溶強化作用；碳化物形成元素(Cr，Mo，W，V等)與碳具有較強的親和力，使碳原子的擴散激活能增加，阻礙碳的擴散，同時形成的細小穩(wěn)定的碳化物具有彌散強化作用?？傊?，合金元素不僅提高了基體強度，還能阻礙碳的擴散和黑色、白色組織的形成。

另外，合金元素可提高抗軟化能力，使淬回火組織在較高的溫度下具有較高的強度。通過在GCr15的基礎上加入Mo，Si等阻止碳元素的擴散,從而提高高溫性能，開發(fā)準高溫軸承鋼，其使用溫度達到200 ℃，用于制造汽車發(fā)動機輔機軸承，取得良好效果。國產(chǎn)軸承鋼GCr15SiMo一般用于制造大型軸承零件，如果用于制造較高溫度(低于200 ℃)下工作的軸承，也應具有相似的效果。如果軸承在更高的溫度(超過300 ℃)下使用，又要求具有較高的疲勞強度，則需使用M50類高溫軸承鋼。

3.4.3 熱處理狀態(tài)

一般軸承零件的使用狀態(tài)為淬回火組織?；鼗瘃R氏體的晶粒細小均勻，在具有較高強度的同時，使變形均勻協(xié)調，對提高疲勞強度有利。具有一定穩(wěn)定性的、適量的殘余奧氏體通過相變硬化，吸收變形功，阻止疲勞裂紋的萌生和擴展，可提高疲勞強度。但過多的穩(wěn)定性較差的殘余奧氏體提前發(fā)生轉變，形成硬脆的新鮮馬氏體，且使零件尺寸發(fā)生變化，影響軸承的使用性能。

硬脆碳化物的作用在某種程度上與夾雜物相似，尤其是當碳化物的尺寸、分布不均勻程度較嚴重時，粗大的碳化物將成為疲勞源的優(yōu)先成核部位。分布不均的組織，如嚴重的帶狀、網(wǎng)狀碳化物，會割裂基體，使變形的協(xié)調一致性變差，尤其是受到較大的沖擊載荷時危害更大。在煉鋼和軋制成材、零件毛坯壓力成形及以后的熱處理過程中，應盡量減少碳化物的尺寸、分布不均勻程度，使碳化物呈細小勻圓狀態(tài)。單純從接觸疲勞壽命的角度看，適當降低鋼中碳含量，減少粗大碳化物的數(shù)量和尺寸，有利于疲勞壽命的提高，如將碳含量由1.0 %降至0.8%。但降低碳含量會影響材料的耐磨性。

在研究有白色腐蝕區(qū)的疲勞剝落的齒輪箱用軸承時發(fā)現(xiàn)[12]：滲碳鋼制套圈的軸承疲勞剝落壽命長于全淬硬套圈的軸承，二者除心部組織及硬度外，主要差別在于表層的殘余應力和殘余奧氏體，滲碳鋼滲碳淬火后距表面0.8 mm深處的殘余應力仍大于-200 MPa，而全淬硬套圈在0.01 mm處殘余應力轉變?yōu)槔瓚顟B(tài)；同為滲碳鋼制套圈的軸承，當距表面一定深度內殘余奧氏體的量大于20%時，將不會在疲勞裂紋的周圍出現(xiàn)白色組織，疲勞壽命相應較長。通過采用滲碳鋼制造套圈，并在滲碳淬火后在適當深度內得到較大的殘余壓應力和較多的殘余奧氏體，可提高軸承的疲勞壽命。

4 結束語

關于滾動軸承的滾動接觸疲勞機理，目前尚有許多爭議，如正常白色組織形成的特定方向受何種主導機理控制，異常白色組織的形成機理等。了解疲勞機理及影響因素對提高軸承疲勞壽命至關重要。