軸承滾動接觸疲勞造成的軸承失效

軸承是機器中承受載荷和傳遞運（yùn）動的關鍵部件。現代裝備製造業（yè）日益增長的功率密度的挑戰，對承（chéng）載能力和可靠性（xìng）提出了更高的要求。

目前，由軸承滾動接觸疲勞引（yǐn）起的軸承失效一般很少發生，滾動軸承的最終使（shǐ）用壽命（mìng）通常遠遠超過（guò）計算的額定壽（shòu）命。但軸承在某些應用場合會過早（zǎo）失效，其使用壽命隻占計算額定壽命的5% ~ 10%。軸承過早失效的時間間隔通常很（hěn）短，即與（yǔ）正常（cháng）滾動接觸疲勞（láo）相比，呈現高斜（xié）率的威布爾分布(圖1)。

威布爾（ěr）軸承失效分布，紅色（sè）斜線:典型的早期失效情況；藍色斜線:正常接觸疲勞試驗的（de）斜率。

許多早期失（shī）效的軸承（chéng）都有一個典型特征——存在大麵積具有“白色腐（fǔ）蝕形貌”的亞表麵裂紋網絡，通常（cháng）稱為白色腐（fǔ）蝕裂紋（wén）(WEC)(圖2)。這種裂紋一般會擴散到表麵，導致滾道剝落（luò）。這種現象常見於風力發電機（jī）齒輪箱、汽車傳（chuán）動係統、交流發電機及周（zhōu）邊輔助設備、造紙廠、船舶推進係統等的退貨產品中。一（yī）些典型的例（lì）子如圖3所示。在過去的15年中，業界廣泛討論（lùn）了（le）這一故障的根本原因，並根據不同角度（dù）的檢查（chá）提出了各種假設。中列出了對各種假設的綜合評估和分（fèn）析。在過去的幾十年裏（lǐ），人們從不同的角度研究了軸承過早失效的問題，因此對這個問題的具體方麵有了更多的了解。然而，在軸承失效分析方麵，主要參與者對根本原因和失效機理仍缺乏共識。

對白色腐蝕裂紋現象進行更深入的調（diào）查和研究旨（zhǐ）在闡明白色腐蝕（shí）裂紋在滾動接觸疲勞和加速疲勞(軸承過早剝落)過程中的作用。盡管材料科學界仍在（zài）討論這個問題，但SKF的研究表明，白色腐蝕裂紋出（chū）現在失效鏈的末端，這是過早失效軸承的裂紋網絡的自然結果。認（rèn）為白色腐蝕裂紋是疲勞失效的征兆，而不是根本原因。本文闡述了專家（jiā）們對過早（zǎo）失效和白色腐蝕裂紋的共識。此外，提出了（le）白色腐蝕（shí）裂紋的定義，討（tǎo）論了其成因（yīn），提出了導致白色腐蝕（shí）裂紋的所有失效（xiào）機理。

1.白色腐蝕裂紋的定義

白色（sè）腐蝕裂紋（wén）是軸承鋼顯微（wēi）組織中的裂紋，裂（liè）紋上點綴著白（bái）色腐蝕區域。白浸蝕是指對（duì）鋼鐵樣品進行拋光、浸（jìn）蝕時，發現其微（wēi）觀結構發生了變化，呈現出白色的外觀。受影響區（qū）域由超細納米再結晶的無碳化物鐵素體或具有極細碳化物顆粒（lì）分布的鐵素（sù）體組成。

白色腐蝕區（qū）是由反複軋製過程（chéng）中的摩擦引起的裂紋表麵非晶化形成（chéng）的。因為這些區域（yù）對腐蝕（shí）反應不敏感，所以在光學顯微鏡下呈白色。裂紋周圍的白（bái）色（sè）蝕刻區域比附（fù）近未（wèi）受影響的微結構硬10%到50%。

2.形成原因

2.1滾動接觸疲勞中的（de）白色腐蝕裂紋

眾所周知，小型重載長期運行軸承在失效前（qián）會經曆幾（jǐ）個疲勞階段(極高周疲勞)。

第（dì）一階段是振動硬化階段，會導致微塑（sù）性變形、加工硬（yìng）化（huà），最終積累殘餘應力。在振動（dòng）硬化狀態下，軸（zhóu）承表麵可能會發生一些微塑性變形，變形部分的粗（cū）糙表麵會變平（píng）。

振動淬（cuì）火後開始進入影響（xiǎng）軸承壽命的主要環節，表現為顯微（wēi）組織的逐漸變化（huà）。在（zài）這個階段，碳化物的（de）分布由於微（wēi）塑性變形而改變。此外，殘餘奧氏體可能會逐漸減少，所有的顯微組織變化都伴隨著殘餘應力的積累。

在軸承滾動接觸疲勞的最後階段，發現了伴隨白色腐蝕（shí）的（de）深色腐蝕區（qū）(DER)、低角（jiǎo）度帶(LAB)和高角度帶(HAB)(圖（tú）4左側)。高（gāo）角度帶和低（dī）角度帶雖然都是（shì）白腐蝕，但（dàn）與軸（zhóu）承早期失效形成的不規則白（bái）腐蝕裂紋相比，有著不同的外觀。可以得出結論，不規則白色腐蝕裂紋的形成（chéng）不是滾動接觸疲勞的（de）一部分。然而（ér），這些白色蝕刻區域的微觀結構與在晶體結構過（guò）早失效中觀察到的白色蝕刻區域沒（méi）有（yǒu）太（tài）大不同。

對於大中（zhōng）型軸承（chéng），上麵列出的效果不一定和小型重載軸承一樣。與其他機械部（bù）件一樣，這些軸承的（de）典（diǎn）型失效原因在（zài）於其最薄弱環節的損壞(例如，夾雜物和氣孔（kǒng）等材（cái）料結構中預先存在的缺陷)。如ISO/TR 1281-2: 2008所述，當軸承（chéng）的平（píng）均直徑大於100mm時，其疲勞極限會降低。另外，如果比較接觸應力對較小軸承和較大（dà）軸承的影響，在較大（dà）軸承（chéng）中受影響的應（yīng）力體（tǐ）積會增（zēng）大，就像薄弱環節的負（fù）麵影響一樣。一（yī）個例（lì）子是夾雜物，它自然存在於所有軸承鋼中。另一個起作用（yòng）的因素是接觸應力本身（shēn）；在圖4給出的例子中，在產生低角度帶和高角度帶的地（dì）方（fāng），接（jiē）觸應力相對較高(> 3.2 GPa)。在很多大中型軸承中（zhōng），施加的接觸應力遠低於3GPa，這意味著（zhe）疲勞載荷（hé）處於另一種狀態，導致整（zhěng）體損傷較少（shǎo），非金（jīn）屬（shǔ）夾雜物附近的局部損傷較多。

早在20世紀60年（nián）代，就有報（bào）道稱滾動接（jiē）觸（chù）疲勞軸承出現白色腐蝕裂紋和深（shēn）色腐蝕紋。在1980年代，SKF也報道了這種情況。對過早失效的大中型軸承(通過高加速壽命試驗或標準耐久試驗)的後（hòu）期研究（jiū）證實，大範圍不規則白色腐蝕（shí）裂紋網絡的出現是軸承滾動接觸（chù）疲勞的自（zì）然附帶結果（guǒ）(圖（tú）4右圖)。

2.2加速（sù）疲勞中的白（bái）色（sè）腐蝕裂紋(過早剝落)

過早剝離(在行業中通（tōng）常解釋為白色腐蝕裂紋失效（xiào）)和（hé）正常滾動接觸疲勞可以通過剝離開始（shǐ）前（qián）不同事件發生所（suǒ）需的時間（jiān）來區分(圖5)。此外，與耐久性試驗或正常滾動接觸疲勞相比，軸承失效分（fèn）析表明，過早（zǎo）失（shī）效通常與幾個位置/區域的裂紋起裂點有關。

軸承鋼產生（shēng）裂紋的原因可能不同。當應力較高或強度因（yīn）環境原因降（jiàng）低時，裂紋會加速(圖6)。軸承上的應（yīng）力可能高於預期。這種情況的例子如下:

意外（wài）的動力（lì）或（huò）溫度影響可能會引起短（duǎn）期的重載荷，從而產生大的預緊力和結構變形的邊緣載荷。

軸承材料中的結構應力(例如，由形狀偏差、未對準或其他因素引起的)將增加材料中的應力。

惡劣的（de）摩擦（cā）接觸條件(如過薄的油膜厚度和/或滑動條件)，加上特定的潤滑劑，也可能導致滾道上的應力增加。

一（yī）些可能產生氫氣（qì）的環境因素會（huì）對軸承（chéng）的材料強度產生（shēng）不（bú）利（lì）影響。這些可能（néng）包括:水汙染、腐蝕和雜散電流。在這些情況下，正常負載條件可能會導致過早故障。

通過特殊軸承試驗，驗證（zhèng）了加速疲勞的原因，都與較高的應力和較低的材料強度有關。

一旦裂紋成（chéng）核(有（yǒu）時伴有深色腐蝕區的（de）出現)，裂紋（wén）表麵的摩擦過程（chéng）會使材（cái）料從裂紋（wén）的（de）一側（cè）轉（zhuǎn）移到另一側。這將導（dǎo）致鋸齒（chǐ）形（xíng）裂紋的出現和裂紋接收麵上白色蝕刻微結構的積累。

白色腐蝕區的發展（zhǎn）還取決於亞表（biǎo）麵裂紋的方向，這（zhè）可能與內力和變（biàn）形方式有關。這就是為什麽白色腐蝕（shí）區更常見於水平裂紋(平行於滾道)，而垂直裂紋往往較少出現白色腐蝕區的跡象。此外，白色腐蝕區還取（qǔ）決於裂紋麵之間的間隙、應力循環次數以及材料內部的應力狀態。

2.3應力增加導致的白（bái）色腐（fǔ）蝕裂紋示例（lì）

圖8、9和10顯示了開始出現與應力相（xiàng）關的白色腐蝕裂紋的（de）兩個例子。圖8和圖9所示的結果（guǒ）與軸承試（shì）驗台有關，該試驗台的設計是通過波紋人為地將結（jié）構應力或（huò）結構變形引入軸承座，從而在軸承內（nèi）圈產生局部拉應力。本（běn）試驗采用圓柱滾子軸承，其內圈(內徑（jìng）為220mm)以正（zhèng）常配（pèi）合安裝在五葉片波（bō）紋套筒上，套筒以（yǐ）過盈（yíng）配合（hé）安（ān）裝在軸上。硬車（chē）製作的波紋套在內圈軌道麵附近會產生五（wǔ）個（gè）拉應力（lì）約205MPa的區域。試驗軸承是改進的雙列圓柱滾子軸承，在內圈（quān）中心部位配置一排8個滾子，而不是（shì）兩排24個滾（gǔn）子，以適應試驗台的試（shì）驗能力，達到所需的接觸應力。軸承材料為SAE 52100(100Cr6)鋼，金相組織為回火馬氏體，殘餘奧（ào）氏體含量（liàng）高達7%(體（tǐ）積（jī）分數)，硬度為62 HRC。

這些軸承是（shì）在（zài）最大赫茲接觸壓力為1.8 GPa、卡伯值約為2的條件下測試（shì）的。測試軸承，直到它失效。

五葉片波紋套筒上的一個軸承在1150小時（shí）後(相當於6.35×108個應力循環)發生故障，滾道上出現可見的軸向裂紋。第二個軸承在1570小時後(相當於8.67×108個應力循環)失效，出現了兩（liǎng）條可見的軸向裂紋。軸向裂紋（wén）的位（wèi）置與圓周方向上的一個峰重合，在該峰處有一個拉應力區。

需要注意的是，之前已經在相同條件下使用標準軸配合(無（wú）人為引入（rù）的波紋)對四個相同的軸承進行了測試，測（cè）試在大約2200小時後暫停(對應於1.21×109個應（yīng）力循環)。在（zài）此之（zhī）前，這四個軸承都（dōu）沒有出現故障。在後來（lái）的分析中沒有發現表麵裂紋和亞表麵白色腐蝕裂紋。

後期分析包括使（shǐ）用超聲波檢測(UST)和滲（shèn）透檢測的無損檢測(NDT)、套圈圓度測量、斷裂分析和顯微鏡下的金相檢驗。

如圖9所示，在（zài）具有開口裂紋的樣品上製備橫截麵。腐蝕後，在光學顯微（wēi）鏡下可以（yǐ）觀察到主裂紋的一部分呈（chéng）現白色，裂紋在表麵以下約500微（wēi）米的（de）深度處分支。分叉裂紋也是一（yī）種白色腐蝕裂紋，沿平行於滾道的方向擴展，距離主裂紋約400微米。裂紋的放大圖證（zhèng）實了裂紋相互連接並在表麵下形成網狀白色腐蝕裂紋的理論。在對應於波紋套軸頂部的另外兩（liǎng）個圓周位置，也製備了橫截麵。雖然在表麵上沒有觀察到表麵裂紋，但在這些區域的表麵下發現（xiàn）了（le）許多白（bái）色腐蝕裂紋，這（zhè）些裂紋在試驗過程中具有由（yóu）波紋引（yǐn）起（qǐ）的拉應力。

光學顯微鏡（jìng）下顯示軸向裂紋平行截麵的白色蝕刻裂紋，以及三個指（zhǐ）示區域的（de）放大圖像。部分主裂（liè）紋和分叉裂紋伴有白色腐蝕帶。(b)、(c)和(d)中的照片分別是由(a)中的數字（zì）1-3表示的放大區域。

在短時重載期間，在良好的潤滑條件下(kappa約為3.5)，軸承可承受3GPa以上的接觸應力約15分鍾（zhōng）。

在徑向測試台上安裝承受短期重載（zǎi）的（de）軸承。然後，在接觸應力為1.7GPa、Kappa值約為2的潤滑條件（jiàn）下進行測試。在這種情況下，軸承（chéng）在大約3.3×107個周期之前停止支承或失效。顯（xiǎn）示了（le）外環的圓周切（qiē）割和（hé）金相蝕刻的結果。由於外圈軸承區域剝落，相關軸承在1.9×107次循環（huán）後失效。

2.4由於低材料強（qiáng）度導致的白色腐蝕裂紋（wén）示例

給出了滲氫軸承表麵（miàn）下白色腐（fǔ）蝕裂紋的實例。有和（hé）沒有氫滲透的角接觸球軸承和深溝球軸承的詳細後分析。

2.5摩擦和潤滑劑共同影響（xiǎng）下（xià）的白色腐蝕裂紋示例

在用FE8試驗台對潤滑油進（jìn）行評定試驗（yàn）的過程中，發現失效的81212圓柱滾（gǔn）子推力（lì）軸承中存在白色腐蝕裂紋[23]。到目前為止，在混合摩擦和高滑動運動(不（bú）代表徑向滾子（zǐ）軸承)的（de）混合試驗條（tiáo）件下，還沒有得出結論性的結果。到目前為止，FE8試驗中的白色腐蝕裂紋主要是由（yóu）表麵疲勞引起的(其中潤滑劑也起了重要作用)，或（huò）者是氫氣進入（rù）的（de）結（jié）果，或者兩者都有，所以無法給出最終結論。

采用鋼對鋼試（shì）驗係統對81212圓柱滾子推力（lì）軸承進行試驗。軸承采用SAE 52100標準軸承鋼，馬氏體（tǐ）硬化，殘餘奧氏體含量小於3%，硬度約60HRC。這些（xiē）軸承在中等負荷(最大接觸應力約（yuē）為1.9GPa)和潤滑不足(kappa約（yuē）為0.3)的（de）情況下進行測試。

試驗中使用了不同的潤滑油和混合油。典型的故障現象。

雖然這裏沒有詳細描述，但是在所有的測試中，主要失效的是滾輪，很少有墊（diàn）圈失效。測試一直持續到失敗(剝（bāo）離（lí）)或最終停止。對於因剝落和發現白色腐（fǔ）蝕裂紋（wén）而失效的軸承，假設在任何剝落發生（shēng）之前（qián），已（yǐ）經產生了帶有白色（sè）腐蝕斑點（diǎn）的亞表麵裂紋。作出這一假設是因為有時在非剝離零件中會發（fā）現（xiàn）亞表麵裂紋。

3.討論

上述發現解釋（shì）了為什麽在所有（yǒu）類型（xíng）的工業、所有類（lèi）型的軸（zhóu）承和所有類型的熱處理(整體硬化和表（biǎo）麵硬（yìng）化材料)中都可以發現白（bái）色腐蝕裂紋（wén）。這是因為白色腐蝕裂紋出現在失效鏈（liàn）的末端，是過早失效軸承中裂紋網絡的自然結（jié）果（guǒ）。

要找出軸承過早失（shī）效的根本原（yuán）因，關鍵（jiàn）不僅要研究白色腐蝕裂紋，還（hái）要找出導致加（jiā）速疲勞的相關弱化效應(與較高（gāo）的（de）應力或較低的材料強度有關)。

一般來說，任何機械部（bù）件的失（shī）效都是由其（qí）最薄弱環節的（de）損壞引起的。當局部應力超過局部強度時，就（jiù）會發生這種（zhǒng）情況（kuàng）。過早失效是最薄弱環節明顯（xiǎn）弱化的結（jié）果。在各種應用中使（shǐ）用的滾（gǔn）動軸承的可靠性符合最薄弱環節原則。弱點總是存在於材料或（huò）工作接觸麵上。如果最薄弱的環節出現問題，軸承就會失效。當潤滑（huá）條件差或表麵粗（cū）糙(如顆粒壓痕（hén）)時，最薄弱的環節最（zuì）容易出現在表麵，然後表（biǎo）麵損傷(如表（biǎo）麵（miàn）疲勞或磨損)會導致軸承失效。在良好（hǎo）的潤滑條（tiáo）件下，由於材料缺陷（xiàn）的（de）存在(例如，夾雜物（wù）和赫茲接觸導致的高剪切（qiē）應力，軸承失效導致（zhì）的材料預先存在的缺陷（xiàn）導致的裂紋萌生和擴展)，那麽最薄弱的環節可能就在表麵之下。

對於滾動軸（zhóu）承，最薄弱環節的強度可能與所謂的“疲勞極限”載荷或應（yīng）力極限有關。如果超過疲勞極限，軸承將失效。當疲勞極限顯著降低時，換句話說，當（dāng）最薄弱環（huán）節的強度顯（xiǎn）著降低（dī）時，軸承將過（guò）早失效。造成早期裂紋並加速裂紋擴展，最（zuì）終（zhōng）導致軸承過早（zǎo）失效的（de）原因，是高應力或材料強（qiáng）度降低（dī）導致的弱化，而不是白色腐蝕裂紋。在沒有（yǒu）弱（ruò）化（huà）現象的情況下，軸承也可能失效，這是正（zhèng）常滾動接觸（chù）疲勞下單點剝落的結果，很少（shǎo）或不會出現白色腐蝕裂（liè）紋。這是因為當材料的壽命結束時，裂紋會迅速擴展[7]。換句（jù）話說，裂（liè）紋（wén）係統中沒有物質轉化的（de）時（shí）間。隨著弱化（huà）程度的（de）增加，軸承可能過早失效，表現為大（dà）範（fàn）圍的白色腐蝕裂紋，這是（shì）因為裂紋係統中（zhōng）的材料有時間局部地從深色腐蝕區變（biàn）為白色（sè）腐蝕區。隨著嚴重程度的增加，在小範圍內可（kě）能出現點綴著白色腐蝕區的軸向裂紋，甚至出（chū）現（xiàn）沒有白色腐蝕區的（de）斷口，這是由於裂紋擴展較快。