軸承滾動接觸疲勞造成的軸承（chéng）失效

軸承是（shì）機器中承受載荷和傳遞運動的關鍵部件。現代裝備（bèi）製造業日益增長的功率密度的（de）挑戰，對承載能力（lì）和可靠性提出了更高（gāo）的要求。

目前，由軸承滾動接觸疲（pí）勞引起的軸承失（shī）效一般很少發（fā）生，滾動軸承的最終使用壽命通（tōng）常遠遠超過計（jì）算（suàn）的額定（dìng）壽命。但軸承在某些應用場合會過（guò）早（zǎo）失效，其使用壽命（mìng）隻（zhī）占計算（suàn）額定壽命的5% ~ 10%。軸承過早（zǎo）失效的時間間隔通常很短，即與正常（cháng）滾動接觸疲勞相（xiàng）比，呈現高斜率的威布爾（ěr）分布（bù）(圖1)。

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

許多早期失效的軸承都有（yǒu）一個典型特征——存在（zài）大麵積具有“白色腐蝕（shí）形貌”的亞表麵裂紋網絡，通常稱為白色腐蝕裂紋(WEC)(圖2)。這種裂紋一般會擴散到表麵，導致滾道剝落。這種現象常見於（yú）風力發電機齒輪箱（xiāng）、汽車傳動係統、交（jiāo）流（liú）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。一些（xiē）典型的（de）例子如圖3所示。在（zài）過去的15年中，業界廣泛討論了這一故障的根本原因，並根據不同角度（dù）的檢查提出了各種假設。中列出（chū）了對各（gè）種假設的綜合評（píng）估（gū）和分析。在過去的（de）幾十年裏（lǐ），人們從不同的角度研究了軸承過早失效的問（wèn）題，因此對這個問題的具（jù）體方麵（miàn）有了更多的了解。然而，在軸承（chéng）失效分析方（fāng）麵，主要參與者（zhě）對根本原因和失效機理仍缺乏（fá）共識（shí）。

對白色腐蝕裂紋現象進行更深入的調查和研究旨在闡明白色腐蝕裂紋（wén）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討論這個問題，但SKF的研究表明，白色腐蝕裂（liè）紋出現在失效鏈的末端，這是過早失效軸承的裂紋網絡的自然結果。認為白色（sè）腐蝕裂（liè）紋是疲勞失效的征兆，而不是根本原因（yīn）。本文闡述了專家們對過早（zǎo）失效和白色腐蝕（shí）裂紋的（de）共識。此外，提出（chū）了白色腐蝕（shí）裂紋的（de）定義，討論了其成因，提出了導致白色腐蝕（shí）裂紋的所有（yǒu）失效機理。

1.白色腐蝕（shí）裂紋（wén）的定義

白色腐蝕裂（liè）紋（wén）是軸承鋼顯微組織中的裂紋，裂紋上點綴著白色腐蝕區域。白浸蝕是指對鋼鐵樣品進（jìn）行拋光、浸蝕時，發現其（qí）微觀結構發生了變化，呈現出白色的外觀。受影響區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（wù）顆（kē）粒分布的鐵（tiě）素體組成。

白色腐蝕區是由反複軋製過程中的摩擦引起的（de）裂紋表麵非晶化（huà）形成的。因為這些區域（yù）對腐蝕反（fǎn）應不敏感，所以在光（guāng）學顯微鏡下呈白色。裂紋周圍的白色蝕刻區域比附近未受影響的微結（jié）構硬10%到50%。

2.形成原（yuán）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（zhǎng）期運行（háng）軸承在失效前會（huì）經曆幾個疲勞階段(極高周疲勞)。

第一階段是振動硬化階段，會導致微塑性變形、加工硬化，最終積累殘餘應力。在振（zhèn）動硬化狀（zhuàng）態下，軸承表麵（miàn）可能（néng）會發生一些（xiē）微塑性（xìng）變形，變形部分的粗（cū）糙表麵（miàn）會變平。

振（zhèn）動淬火後開始進入影響軸承壽命的主要環節，表現為顯微（wēi）組織的逐漸變化（huà）。在這個（gè）階段，碳化物（wù）的（de）分布由於微塑性變（biàn）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（biàn）化都伴（bàn）隨著殘（cán）餘應力的積累。

在（zài）軸（zhóu）承滾動接觸疲勞的最後階（jiē）段，發現了伴隨白（bái）色腐蝕的深色腐蝕（shí）區(DER)、低角度帶(LAB)和高角度帶(HAB)(圖4左側)。高角度帶和低角度帶雖然都是（shì）白腐（fǔ）蝕，但與軸（zhóu）承早期失效形成的（de）不規則白（bái）腐蝕裂紋相（xiàng）比，有著不同的外觀。可以得出結論（lùn），不規則（zé）白（bái）色腐蝕裂紋的形成不是滾動接觸疲勞（láo）的（de）一部分。然而，這（zhè）些白色蝕刻區（qū）域的微觀結構與在晶體結構過早失效中觀（guān）察到（dào）的白色蝕刻區域沒有太大不同。

對於大（dà）中型軸承，上麵列出（chū）的效果不一定和（hé）小型重載軸承一樣。與其他機械（xiè）部件一（yī）樣，這些軸承的典型失效原因在於其最薄弱（ruò）環節的損壞(例如，夾雜物（wù）和氣孔等材料結構中預先存在的缺陷)。如ISO/TR 1281-2: 2008所述，當軸承的平均直徑大於100mm時，其疲勞極限會降（jiàng）低。另（lìng）外，如果比較接觸應力（lì）對較小軸承（chéng）和較大軸承的（de）影響，在較大軸承中受影（yǐng）響的應力體積會增大（dà），就像薄弱環節的負（fù）麵（miàn）影響一（yī）樣。一個例子是夾雜物（wù），它自然存在於所（suǒ）有軸承鋼中。另一個起作（zuò）用的因素是接觸應力本身；在圖（tú）4給出的例子（zǐ）中，在（zài）產生低（dī）角度帶（dài）和高角度帶的地方，接觸應力相（xiàng）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，這意味著疲勞載荷處於另一種狀態，導致（zhì）整體損傷較少，非金屬夾雜物附（fù）近的（de）局（jú）部損傷（shāng）較多。

早在20世紀60年代，就有報道稱滾動接觸疲勞軸承出現白色（sè）腐蝕裂紋和深色腐蝕紋。在1980年代，SKF也報道了這種情況。對過（guò）早失（shī）效的大中（zhōng）型軸承(通過高加速壽命試驗或標準耐（nài）久試驗)的後期（qī）研究證實，大範圍不規則（zé）白色腐蝕（shí）裂紋網絡的出現是軸承滾動接觸疲勞的自然附帶結果(圖4右圖)。

2.2加速疲勞中的白色腐蝕裂紋(過早（zǎo）剝落)

過（guò）早剝離(在行業中通（tōng）常解釋為白色（sè）腐蝕裂紋失效)和正（zhèng）常滾動接（jiē）觸疲勞可以通過剝離開始前不同事件發生所需（xū）的時間來區分(圖5)。此（cǐ）外，與耐久性試驗或正常滾動（dòng）接觸疲勞相比，軸承（chéng）失效（xiào）分析表明，過早失效通常與（yǔ）幾個位置/區域的裂（liè）紋起裂（liè）點有關。

軸承（chéng）鋼產生裂紋的原因可能不同（tóng）。當應力較高或強度因環境原因降低（dī）時，裂紋會加速(圖6)。軸承上的應力可能（néng）高於預（yù）期。這種情況的例子如下:

意外的動力或（huò）溫度影響可（kě）能（néng）會引起（qǐ）短期的重載荷，從而產生大的預緊（jǐn）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（chà）、未對準或其他因素引起的)將（jiāng）增加材料中（zhōng）的應力。

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

一些可能產生氫氣（qì）的環境因素會對軸承的材料（liào）強度產生不利影響。這些可能包括:水汙染、腐蝕和雜散電流。在這些情況下，正（zhèng）常負載條件可能會導致過早故障。

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

一旦裂紋成核(有時伴有深色腐蝕區（qū）的出現)，裂紋（wén）表麵的摩擦（cā）過程會使（shǐ）材料從（cóng）裂紋的一（yī）側轉移到另一（yī）側。這將導致鋸（jù）齒形裂紋的出現和裂紋接收麵上白色蝕刻微結構的積累。

白色腐蝕區的發展還取決於亞表麵裂紋的方向，這可能與內（nèi）力和變（biàn）形方式（shì）有關。這就是為什麽白色腐蝕區更常見於水平裂紋(平行於滾道)，而垂（chuí）直裂紋往（wǎng）往較（jiào）少出現白色腐（fǔ）蝕區的跡象。此外，白色腐蝕區還取決於裂紋麵之間的間隙、應力循環次數（shù）以及材料（liào）內部的應力狀態。

2.3應力增加導致的（de）白色腐蝕（shí）裂紋示例

圖8、9和10顯示了開始出現與應（yīng）力相關的白色腐蝕（shí）裂紋的兩個例子。圖8和圖9所示的結果與軸承試驗台有關，該試驗台的設計是通過波紋（wén）人為地將結構應力或結（jié）構變形引（yǐn）入軸承座，從而在軸承內圈產生局部拉應力。本試驗采用圓柱滾（gǔn）子軸承，其內圈（quān）(內徑為220mm)以正常配合安裝在五葉片波紋套（tào）筒上，套筒以過盈配合安裝在軸上（shàng）。硬車製作的波紋套在內圈軌道麵附近會（huì）產生五個拉應力約205MPa的區域。試驗軸承是改進的雙列圓柱滾子軸承（chéng），在內圈中心部位配置一排8個滾（gǔn）子，而不是（shì）兩排24個滾子，以適應（yīng）試驗台的試驗能力，達（dá）到所需的接（jiē）觸應力。軸承（chéng）材料為SAE 52100(100Cr6)鋼，金相（xiàng）組織（zhī）為回火馬氏體，殘餘奧氏體含量高達7%(體積分（fèn）數)，硬（yìng）度為62 HRC。

這些軸承是在最大赫茲接觸壓力為（wéi）1.8 GPa、卡伯值約為2的（de）條件下測試的。測試軸承，直到它失效。

五葉片波紋套筒上的一個（gè）軸承在1150小時後（hòu）(相（xiàng）當於6.35×108個（gè）應力循（xún）環)發生故障，滾道上出現可見（jiàn）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（liè）紋。軸向裂紋的位置與圓周方向上的一個峰重合，在該峰處有一個拉（lā）應力區。

需要注意的是，之前（qián）已經在相同條件（jiàn）下使用（yòng）標準軸配合(無人為引入（rù）的波紋)對四個相（xiàng）同的軸承進行（háng）了測（cè）試，測（cè）試在大約2200小時後暫停(對應於1.21×109個應力循環)。在此之前，這四個軸（zhóu）承都（dōu）沒有出現故障。在後來的分析中沒有（yǒu）發現表麵裂紋和亞表麵白色腐蝕裂（liè）紋。

後期分析包括使用超聲（shēng）波檢測(UST)和滲透檢（jiǎn）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（pǐn）上製備橫截麵。腐（fǔ）蝕後，在光學顯微鏡下可以觀察到主裂紋的一（yī）部分呈現白（bái）色（sè），裂紋在表麵以下約500微米的深度處分支。分叉裂紋（wén）也是一種白色（sè）腐蝕裂紋，沿平行（háng）於滾道的方向擴展，距離主裂紋（wén）約400微米。裂紋（wén）的放大圖證實（shí）了裂紋（wén）相互連接並在表麵下形成網狀白色腐蝕裂紋（wén）的理論。在對應於波紋（wén）套軸頂部的另外（wài）兩個圓周位置，也製備了橫（héng）截麵。雖然在表麵上沒（méi）有觀察到表麵裂紋，但在這些區域的表（biǎo）麵下發現了許多白色腐蝕裂紋，這些裂紋在試驗過（guò）程中具有由波紋引起的拉（lā）應力（lì）。

光學顯微鏡下（xià）顯示軸向裂紋平（píng）行（háng）截麵的（de）白色蝕刻裂紋，以及三個指示區域的放大（dà）圖像。部分主裂紋和分叉裂紋伴有白色腐蝕帶。(b)、(c)和(d)中的照（zhào）片分別是（shì）由(a)中的數字1-3表示的放大區（qū）域。

在（zài）短時重載期間，在良好的潤（rùn）滑條（tiáo）件下(kappa約為3.5)，軸承（chéng）可承受3GPa以上的接觸應力約15分鍾。

在（zài）徑向測試台（tái）上安裝承（chéng）受短期重（chóng）載的軸承。然後，在接觸應力為1.7GPa、Kappa值約為2的潤滑條件下進行測試。在這種情況下（xià），軸承在（zài）大約3.3×107個周（zhōu）期之（zhī）前（qián）停止（zhǐ）支承或失效。顯示了外環的圓周切割和金相蝕刻的結果。由於外圈軸承區域剝落，相關軸（zhóu）承在1.9×107次循環後（hòu）失效。

2.4由於低材料強度導致的白色（sè）腐（fǔ）蝕裂紋示例

給出了滲氫軸承（chéng）表麵下白色腐蝕裂紋的實例。有和沒有氫滲透的角接觸球軸（zhóu）承和深溝球軸承的詳細後分析（xī）。

2.5摩擦和潤滑劑共同影響下的白色腐蝕裂紋示例

在用FE8試驗台對潤滑油進行評定試驗（yàn）的（de）過程（chéng）中，發現失（shī）效的81212圓柱滾子推力軸承中（zhōng）存在白色（sè）腐蝕裂紋[23]。到目前為止，在混合摩（mó）擦和高（gāo）滑動運動(不代（dài）表徑向滾子軸承)的混合試驗條件下，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（liè）紋主要是由表（biǎo）麵疲勞引起的(其中潤滑劑也起了（le）重要作用)，或者是氫氣進入的結果，或者（zhě）兩者都有，所以無法（fǎ）給出最（zuì）終結論。

采用鋼對鋼試驗係統對81212圓柱滾子推力軸承進行試驗。軸承采用SAE 52100標準軸（zhóu）承鋼，馬氏體硬化，殘餘（yú）奧氏（shì）體含量小於3%，硬度約60HRC。這些軸承在中等負荷(最大接觸應力約為1.9GPa)和潤滑不（bú）足(kappa約為0.3)的情況下進行測試。

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（zhōng），主要失效的是滾輪，很少有墊圈失效。測試一直持續到失敗(剝離)或最終停止。對（duì）於因剝落和發現白色腐蝕（shí）裂紋而失（shī）效的軸承，假設在任何剝落發生之前，已經產生了帶有白色腐蝕（shí）斑點的亞表麵裂紋。作出這一（yī）假設是因為（wéi）有時（shí）在非剝離零件中會發現亞表麵裂紋（wén）。

3.討論

上述發現解釋了為什麽在所有類型的工業、所有類型的軸承和所有類型的熱處（chù）理(整體硬（yìng）化和表麵（miàn）硬化材料)中都可（kě）以發現白色（sè）腐蝕裂（liè）紋。這是因為白色腐（fǔ）蝕裂（liè）紋出現在失效鏈的末端，是過早失效軸承中裂紋網絡的（de）自然結（jié）果。

要找出軸承過早失效的根本（běn）原因，關鍵不僅要研究白色腐蝕裂紋，還要找出導（dǎo）致加速（sù）疲勞的相關弱化效應(與較高的應力或較低的材料強度有（yǒu）關)。

一般來說，任何（hé）機械部件的失效都是由其最薄弱環節的損壞引起的。當局部應力超過局部強度時，就會（huì）發生這種情況。過早失效是最（zuì）薄（báo）弱環（huán）節明顯弱化的結果（guǒ）。在各種應用中使用的滾動軸承的可靠性符合最薄弱環節原則（zé）。弱點總是存在於材料或工作接觸麵上。如果最薄弱的（de）環節出現（xiàn）問題，軸承就會失效。當潤滑條件差（chà）或表（biǎo）麵粗糙(如顆粒壓痕)時（shí），最薄弱的環節最容易出現在表（biǎo）麵，然後表麵損傷(如（rú）表（biǎo）麵疲（pí）勞或磨損)會導致（zhì）軸承（chéng）失效。在良好的潤滑條件下，由（yóu）於材料缺陷的存在(例如，夾雜物和赫茲接觸導致的高剪切應力，軸承（chéng）失效導致的材料預先存在的缺陷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。

對於滾動軸承，最薄（báo）弱環節的強度可能與（yǔ）所謂的“疲勞極限”載荷（hé）或應（yīng）力極（jí）限有關。如果超過疲勞極（jí）限，軸（zhóu）承將失效。當疲勞極限顯著（zhe）降低時，換句話說，當最薄弱環節的強度（dù）顯著降低時，軸承將過早失效。造成早期裂紋並加速裂紋擴展，最終導致（zhì）軸承過早失效的原因，是高應力或材料強度（dù）降低導致的弱化，而不是白（bái）色腐蝕裂紋。在沒有弱化現象的（de）情況下，軸承也可能失效，這（zhè）是正常滾動接觸疲勞（láo）下單點剝落的結果，很少或不（bú）會出現白色腐蝕裂紋。這是因為當材料的壽命結束時，裂（liè）紋會迅速（sù）擴（kuò）展[7]。換句（jù）話說，裂紋係統（tǒng）中沒有物質轉（zhuǎn）化的時間。隨著（zhe）弱化程度的（de）增加，軸承（chéng）可能過早失效，表現為（wéi）大範圍的白色腐蝕裂紋，這是因為裂紋係統中（zhōng）的材料有時間局部（bù）地從深色腐（fǔ）蝕區變為白色腐蝕區。隨著嚴重程度的增加（jiā），在小範圍內可能出（chū）現點綴著白色腐蝕區的軸向（xiàng）裂紋，甚至出（chū）現沒有白色腐蝕區的斷口（kǒu），這是由（yóu）於裂紋擴展較快（kuài）。