【科研動態】軸承鋼的重載滾動接觸疲勞失效機制研究取得進展
2023-11-30 16:38:50
作者：中國腐蝕與防護學報 來源：中國科學院金屬研究所
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如何提高軸承在嚴苛服役環境下的使用壽命與穩定性是我國高端軸承發展面臨的一個難題。滾動軸承的主要失效模式是滾動接觸疲勞，通常分為表面起源的點坑和亞表層起源的剝落兩種類型。隨著冶煉和熱處理工藝水平的提高，亞表層起源的失效現象不斷減少，表面損傷誘導的表面起源失效成為了制約疲勞壽命進一步提高的關鍵因素。工業應用中常用粗糙度等形貌參數來反映軸承表面的加工質量，而忽視了不同粗糙度表面加工形成的組織結構差異，表面淺層的結構差異對表面起源的滾動接觸疲勞失效機制和疲勞壽命的影響，尚未得到充分的認識和研究。 在中國科學院“高端軸承自主可控制造”戰略性先導科技專項的支持下，中國科學院金屬研究所材料腐蝕與防護中心王儉秋團隊對于軸承鋼在模擬服役環境中表面損傷與制造工藝關系開展了系統研究。近期，吳迪項目研究員（通訊作者）和博士研究生夏卓凡（第一作者）等人，在前期重載滾動接觸疲勞失效機制研究的基礎上，設計了不同粗糙度等級的初始表面加工工藝，通過推力盤式滾動接觸疲勞試驗機進行了相關實驗。發現高粗度表面深磨痕處的倒伏形貌可以作為表面裂紋的前驅體，伴隨形成的機加納米晶層中存在的大量微裂紋，促進疲勞裂紋前期擴展（圖1）。通過降低粗糙度，更重要的是同時去除機加工納米晶層，可以使得滾動接觸疲勞壽命有著數倍乃至于數量級式的提高（圖2），而且這種對于加工工藝的調控所需要的成本較低，對提高軸承的使用壽命與穩定性具有重要意義。此外，不同于以往認為重載、低粗糙度條件下失效為亞表層引發剝落的觀點，本研究發現了一種新的失效機制，即重載、低粗糙度表面條件下，表面萌生裂紋逐級擴展形成達至亞表層深度的剝落，其主要依賴于表面凹痕產生的劇烈塑性變形，同時還有軸承鋼在超高服役周次（108）下表面形成的微塑性變形，增加了表面應力集中和接觸表面間摩擦（圖3）。這為發展重載工況下具有超高滾動接觸疲勞壽命的高端軸承，提供了一種新的表面處理設計思路。 相關研究結果近日以“Rolling contact fatigue failure mechanism of bearing steel on different surface roughness levels under heavy load”為題發表于International Journal of Fatigue 179（2024）108042。
圖1. 高粗糙度表面倒伏形貌截面組織及服役過程中的演變
圖2.（a）兩種粗糙度等級下疲勞壽命的威布爾分布；(b)疲勞壽命隨粗糙度Ra的變化
圖3.（a）凹痕誘發表面裂紋萌生機制；（b）超高循環周次下表面微塑性變形機制
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