劉耀中，張旭，楊柳

(1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039; 2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039；3. 滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039)

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

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

1 滾動(dòng)接觸疲勞的微觀機(jī)理

在外載荷的作用下，套圈滾道面和滾動(dòng)體之間的接觸應(yīng)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(zhǎng)、短半軸；圖1b為典型的滾動(dòng)軸承的接觸狀態(tài)，b為接觸半寬，L為接觸長(zhǎng)度。x-y平面為滾動(dòng)接觸面，y軸為滾動(dòng)方向；z軸為載荷作用方向；σ為接觸應(yīng)力；σmax為最大接觸應(yīng)力。

圖1 接觸區(qū)的應(yīng)力分布

在接觸載荷的作用下，接觸面處的材料內(nèi)產(chǎn)生剪切應(yīng)力，最大正交剪切應(yīng)力τ0作用深度為z0。τ0沿滾動(dòng)方向的分布如圖2所示[1]。隨著軸承的旋轉(zhuǎn)，某一位置處的剪切應(yīng)力隨之發(fā)生周期性變化。當(dāng)剪切應(yīng)力的幅值不斷增大時(shí)，位于應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)的微區(qū)材料發(fā)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生微觀塑性變形。隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，積累的微觀塑性變形越來(lái)越多，達(dá)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(kuò)展，最終導(dǎo)致材料從滾動(dòng)表面剝落，即次表面起源型疲勞剝落。因?yàn)閦0處的剪切應(yīng)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(shí)，τ0/σmax沿滾動(dòng)方向的分布

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

2 疲勞過(guò)程中的顯微組織變化

在一定周次的接觸應(yīng)力循環(huán)后，軸承滾道面下會(huì)出現(xiàn)屈氏體形態(tài)結(jié)構(gòu)以及交錯(cuò)的灰色線[4]，屈氏體結(jié)構(gòu)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(jī)理為[5]：結(jié)構(gòu)變化由原馬氏體結(jié)構(gòu)的衰變引起，而原馬氏體結(jié)構(gòu)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(shí)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(guò)量碳的鐵素體相組成，并混有殘留馬氏體。當(dāng)用硝酸乙醇溶液腐蝕并在光學(xué)顯微鏡下觀察時(shí)，該區(qū)域非常暗。隨著進(jìn)一步的接觸循環(huán)，另一個(gè)相出現(xiàn)在DEA，即鐵素體相，腐蝕后成白色，相對(duì)于滾道面傾斜30°,夾在稱為晶狀碳化物的富碳圓盤(pán)之間。在接觸循環(huán)疲勞過(guò)程中，碳在白色腐蝕區(qū)擴(kuò)散，并在邊緣析出，形成白色腐蝕帶和碳化物圓盤(pán)。隨著進(jìn)一步循環(huán)，另一種結(jié)構(gòu)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(zhǎng)、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(jié)構(gòu)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(kuò)散程度最能解釋白色腐蝕帶的發(fā)展機(jī)理，其變化過(guò)程如圖3所示。

圖3 深溝球軸承內(nèi)圈溝道面下的組織變化(截面平行于滾動(dòng)方向，垂直于溝道面)

滾動(dòng)接觸疲勞就是一個(gè)損傷累積的過(guò)程，其微觀表現(xiàn)是局部發(fā)生微觀塑性變形(位錯(cuò)發(fā)生移動(dòng))，且微觀變形不斷積累(位錯(cuò)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(kuò)展至表面。在這一過(guò)程中，有2個(gè)相互促進(jìn)的因素推動(dòng)局部微觀塑性變形：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和碳原子的擴(kuò)散。足夠大的剪切應(yīng)力推動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)并使位錯(cuò)密度不斷增加，提供碳原子在鐵晶格間隙擴(kuò)散所需的激活能(約84 kJ/mol[7]),促進(jìn)了碳原子的擴(kuò)散；而碳原子的擴(kuò)散使細(xì)小的ε-碳化物溶解和回火馬氏體中過(guò)飽和碳逸出，使基體強(qiáng)度降低，更有利于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，也更有利于局部微觀塑性變形的發(fā)生。2個(gè)因素交互作用使馬氏體基體中的位錯(cuò)密度不斷增加，碳含量(包括ε-碳化物)越來(lái)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(cuò)胞將其分割成為細(xì)小的納米尺度(約20 nm)的晶粒。據(jù)SEM/TEM觀測(cè)，30°帶的厚度約為3 μm,長(zhǎng)度大于50 μm；80°帶的厚度約為10 μm,長(zhǎng)度可達(dá)100 μm[8]。而來(lái)自于碳化物溶解的碳和馬氏體中逸出的過(guò)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(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)及其周?chē)妮o助設(shè)備(如發(fā)電機(jī)、皮帶輪)、風(fēng)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(jì)算壽命的1/10。關(guān)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(jī)理看,凡是影響剪切應(yīng)力、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、碳原子擴(kuò)散的因素均會(huì)影響軸承的滾動(dòng)接觸疲勞。

3.1 最大接觸應(yīng)力

顯微組織變化與最大接觸應(yīng)力σmax及軸承工作轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系如圖5所示[7]。滾動(dòng)接觸過(guò)程中，最大Hertz接觸應(yīng)力越大，次表面的剪切應(yīng)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(yīng)力水平較高，軸承設(shè)計(jì)的許用應(yīng)力為4 GPa，相當(dāng)于38%的額定動(dòng)載荷Cr；而一般工況下軸承的最大接觸應(yīng)力為10%Cr，即約1 GPa。出現(xiàn)白色組織時(shí)軸承壽命很長(zhǎng)，承受一般動(dòng)載荷的軸承往往在整個(gè)軸承壽命期間都可能不出現(xiàn)白色組織。近年來(lái)，隨著主機(jī)的小型化，實(shí)際應(yīng)用中軸承承受的載荷越來(lái)越大，出現(xiàn)白色組織剝落的軸承越來(lái)越常見(jiàn)，軸承壽命變短。從設(shè)計(jì)、制造、使用的角度，使軸承承載時(shí)承載區(qū)內(nèi)的接觸應(yīng)力均勻分布，減少應(yīng)力集中，降低最大接觸應(yīng)力，有助于提高軸承壽命。如降低粗糙度，對(duì)滾子軸承采用“一凸”、“二凸”、“三凸”，保證安裝對(duì)中等。

圖5 顯微組織變化與最大接觸應(yīng)力及內(nèi)圈轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系

3.2 工作溫度

工作溫度對(duì)接觸疲勞壽命的影響及相應(yīng)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(shí)，L10壽命降低了10倍以上。

圖6 σmax=5.5 GPa時(shí)溫度對(duì)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(duì)應(yīng)的顯微組織出現(xiàn)的時(shí)間越早，白色組織的數(shù)量越多，厚度越大。溫度影響碳的擴(kuò)散，擴(kuò)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(lái)，隨著輔機(jī)軸承的工作部位越來(lái)越靠近發(fā)動(dòng)機(jī)，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(rùn)滑狀態(tài)

滾動(dòng)軸承理想的接觸潤(rùn)滑狀態(tài)為充分的彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，但實(shí)際工作中往往達(dá)不到該理想狀態(tài)。潤(rùn)滑油供給不足、振動(dòng)沖擊等，使?jié)L動(dòng)接觸面的粗糙峰發(fā)生直接接觸，一是增加了局部接觸應(yīng)力；二是使表面剪切應(yīng)力增大，使疲勞源向表面推移。同時(shí)金屬的直接接觸對(duì)潤(rùn)滑劑的分解起催化作用，產(chǎn)生氫原子，促進(jìn)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(xì)小的碳化物顆粒。但實(shí)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(jié)構(gòu)不同：一方面，形成位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)難以切過(guò)的相界，使位錯(cuò)在相界上堆積，造成微區(qū)應(yīng)力集中；另一方面，因物理性能不同，熱處理過(guò)程中在夾雜物周?chē)a(chǎn)生相變應(yīng)力集中。二者綜合，使夾雜物的周?chē)蔀槲⒂^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(yīng)力區(qū)，更是如此。球軸承溝道下夾雜物周?chē)慕M織變化和微裂紋形貌如圖8所示[1]。由圖可知，在夾雜物周?chē)奶囟ǚ较蛏闲纬纱执蟮陌咨珬l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(xì)的鐵素體晶粒和碳化物組成，其形成機(jī)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(shí)，由潤(rùn)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(guò)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(shí)，由于夾雜物尺寸分布不均會(huì)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(zhǎng)，但某個(gè)軸承零件中個(gè)別大的夾雜物剛好處于最大剪切應(yīng)力區(qū)或滾動(dòng)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(yán)格控制夾雜物的尺寸均勻性。

圖8 夾雜物周?chē)暮麪畎咨g區(qū)及微裂紋

從材料的強(qiáng)化機(jī)理看，使鋼中硬的夾雜物呈細(xì)小均勻的彌散分布，可以起到彌散強(qiáng)化作用，有利于提高鋼的強(qiáng)度。但目前的煉鋼和軋制成材的技術(shù)還不能使夾雜物的尺寸及分布達(dá)到該要求，夾雜物對(duì)疲勞強(qiáng)度和壽命有明顯的負(fù)作用，因此應(yīng)嚴(yán)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(guò)影響碳的擴(kuò)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(qiáng)化、彌散強(qiáng)化等方面影響微區(qū)塑性變形和組織轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變和長(zhǎng)大，同時(shí)具有固溶強(qiáng)化作用；碳化物形成元素(Cr，Mo，W，V等)與碳具有較強(qiáng)的親和力，使碳原子的擴(kuò)散激活能增加，阻礙碳的擴(kuò)散，同時(shí)形成的細(xì)小穩(wěn)定的碳化物具有彌散強(qiáng)化作用。總之，合金元素不僅提高了基體強(qiáng)度，還能阻礙碳的擴(kuò)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(qiáng)度。通過(guò)在GCr15的基礎(chǔ)上加入Mo，Si等阻止碳元素的擴(kuò)散,從而提高高溫性能，開(kāi)發(fā)準(zhǔn)高溫軸承鋼，其使用溫度達(dá)到200 ℃，用于制造汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)輔機(jī)軸承，取得良好效果。國(guó)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(yīng)具有相似的效果。如果軸承在更高的溫度(超過(guò)300 ℃)下使用，又要求具有較高的疲勞強(qiáng)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。回火馬氏體的晶粒細(xì)小均勻，在具有較高強(qiáng)度的同時(shí)，使變形均勻協(xié)調(diào)，對(duì)提高疲勞強(qiáng)度有利。具有一定穩(wěn)定性的、適量的殘余奧氏體通過(guò)相變硬化，吸收變形功，阻止疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，可提高疲勞強(qiáng)度。但過(guò)多的穩(wěn)定性較差的殘余奧氏體提前發(fā)生轉(zhuǎn)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(dāng)碳化物的尺寸、分布不均勻程度較嚴(yán)重時(shí)，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(yán)重的帶狀、網(wǎng)狀碳化物，會(huì)割裂基體，使變形的協(xié)調(diào)一致性變差，尤其是受到較大的沖擊載荷時(shí)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(guò)程中，應(yīng)盡量減少碳化物的尺寸、分布不均勻程度，使碳化物呈細(xì)小勻圓狀態(tài)。單純從接觸疲勞壽命的角度看，適當(dāng)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(huì)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(shí)發(fā)現(xiàn)[12]：滲碳鋼制套圈的軸承疲勞剝落壽命長(zhǎng)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(yīng)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(yīng)力仍大于-200 MPa，而全淬硬套圈在0.01 mm處殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力狀態(tài)；同為滲碳鋼制套圈的軸承，當(dāng)距表面一定深度內(nèi)殘余奧氏體的量大于20%時(shí)，將不會(huì)在疲勞裂紋的周?chē)霈F(xiàn)白色組織，疲勞壽命相應(yīng)較長(zhǎng)。通過(guò)采用滲碳鋼制造套圈，并在滲碳淬火后在適當(dāng)深度內(nèi)得到較大的殘余壓應(yīng)力和較多的殘余奧氏體，可提高軸承的疲勞壽命。

4 結(jié)束語(yǔ)

關(guān)于滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)接觸疲勞機(jī)理，目前尚有許多爭(zhēng)議，如正常白色組織形成的特定方向受何種主導(dǎo)機(jī)理控制，異常白色組織的形成機(jī)理等。了解疲勞機(jī)理及影響因素對(duì)提高軸承疲勞壽命至關(guān)重要。