滚动轴承的接触疲劳微观机理及影响因素

刘耀中，张旭，杨柳

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039; 2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3. 滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳 471039)

滚动轴承在使用中承受较大的接触应力，滚动接触疲劳是其主要的失效模式之一。轴承设计中，疲劳寿命是主要的优化目标和设计依据。ISO 281—2007《滚动轴承 额定动载荷和额定寿命》给出了轴承疲劳寿命的计算方法；不少公司也开发了自己的寿命计算方法和相应的设计分析软件。随着轴承钢质量的提高、轴承加工装配设备和工艺的改进，轴承的实际使用寿命显著提高。随着主机的小型化、轻量化、长寿命化和高可靠性要求的不断提高，轴承的工况条件越来越苛刻，如使用温度升高、承受的接触载荷加重，同时要求轴承具有更长的寿命和更高的可靠性。

关于滚动接触疲劳的机理，尤其对疲劳的微观机理，国外学者进行了较为系统深入的探讨，如疲劳的起源部位、疲劳过程中的显微组织变化、工况条件的影响等。下文拟对疲劳微观机理及影响因素的部分研究成果进行归纳整理，以期对滚动接触疲劳机理及影响因素进行初步了解，为提高轴承的疲劳寿命提供参考。

1 滚动接触疲劳的微观机理

在外载荷的作用下，套圈滚道面和滚动体之间的接触应力分布如图1所示。图1a 为典型的球轴承接触状态，a，b分别为接触椭圆的长、短半轴；图1b为典型的滚动轴承的接触状态，b为接触半宽，L为接触长度。x-y平面为滚动接触面，y轴为滚动方向；z轴为载荷作用方向；σ为接触应力；σmax为最大接触应力。

图1 接触区的应力分布

在接触载荷的作用下，接触面处的材料内产生剪切应力，最大正交剪切应力τ0作用深度为z0。τ0沿滚动方向的分布如图2所示[1]。随着轴承的旋转，某一位置处的剪切应力随之发生周期性变化。当剪切应力的幅值不断增大时，位于应力场内的微区材料发生位错运动，产生微观塑性变形。随应力循环次数的增加，积累的微观塑性变形越来越多，达到一定的程度后在材料中产生微裂纹，即疲劳源。随后微裂纹向表面扩展，最终导致材料从滚动表面剥落，即次表面起源型疲劳剥落。因为z0处的剪切应力最大，其微观塑性变形最大，是疲劳源形成的优先位置。在不同载荷作用下，

图2 z=z0时，τ0/σmax沿滚动方向的分布

轴承最大剪切应力的作用深度z0不同。对于点接触，z0=0.467b；而对于线接触，z0=0.786b[1]。对于一般工况条件下的轴承，z0为数百微米。

2 疲劳过程中的显微组织变化

在一定周次的接触应力循环后，轴承滚道面下会出现屈氏体形态结构以及交错的灰色线[4]，屈氏体结构称为黑色腐蚀区(DEA)，灰色线称为白色腐蚀带(WEB)。由于WEB的特定取向，其可分为30°带和80°带，形成机理为[5]：结构变化由原马氏体结构的衰变引起，而原马氏体结构的衰变则由接触循环引起。这些变化在低于极限接触载荷值时观察不到，表明重载下的塑性变形是产生这些变化的根本原因。DEA首先出现,其由含有均匀分布的过量碳的铁素体相组成，并混有残留马氏体。当用硝酸乙醇溶液腐蚀并在光学显微镜下观察时，该区域非常暗。随着进一步的接触循环，另一个相出现在DEA，即铁素体相，腐蚀后成白色，相对于滚道面倾斜30°,夹在称为晶状碳化物的富碳圆盘之间。在接触循环疲劳过程中，碳在白色腐蚀区扩散，并在边缘析出，形成白色腐蚀带和碳化物圆盘。随着进一步循环，另一种结构出现在变化区域，该相与30°腐蚀带近似，但其更密集、更长、更浅，并与滚道的倾斜角度为80°。该白色带状物与原始的微观结构相比硬度较低。30°带状物中的碳含量大约为0.2%，80°带中几乎为0。碳的扩散程度最能解释白色腐蚀带的发展机理，其变化过程如图3所示。

图3 深沟球轴承内圈沟道面下的组织变化(截面平行于滚动方向，垂直于沟道面)

滚动接触疲劳就是一个损伤累积的过程，其微观表现是局部发生微观塑性变形(位错发生移动)，且微观变形不断积累(位错密度不断增加)，使显微组织发生变化，直至产生微裂纹并扩展至表面。在这一过程中，有2个相互促进的因素推动局部微观塑性变形：位错运动和碳原子的扩散。足够大的剪切应力推动位错运动并使位错密度不断增加，提供碳原子在铁晶格间隙扩散所需的激活能(约84 kJ/mol[7]),促进了碳原子的扩散；而碳原子的扩散使细小的ε-碳化物溶解和回火马氏体中过饱和碳逸出，使基体强度降低，更有利于位错运动，也更有利于局部微观塑性变形的发生。2个因素交互作用使马氏体基体中的位错密度不断增加，碳含量(包括ε-碳化物)越来越低，形成碳含量较低(30°带)或几乎不含碳(80°带)的浅色或白色铁素体条。该铁素体条是大量塑性变形的产物，其中的位错胞将其分割成为细小的纳米尺度(约20 nm)的晶粒。据SEM/TEM观测，30°带的厚度约为3 μm,长度大于50 μm；80°带的厚度约为10 μm,长度可达100 μm[8]。而来自于碳化物溶解的碳和马氏体中逸出的过饱和碳，在白色条带的边界上以片状碳化物的形式析出。

另一类组织变化型剥落如图4所示[9]。其与次表面起源型剥落的组织变化不同，白色组织及随后出现的裂纹优先发生在原始晶界上，呈不规则形态，这种剥落称之为异常白色组织剥落，多发生在汽车动力传动系统及其周围的辅助设备(如发电机、皮带轮)、风电齿轮箱轴承，该类轴承工作温度、速度及载荷均较高，且存在电流或电荷。与次表面起源的疲劳剥落相比，其疲劳寿命大幅度下降，约为计算寿命的1/10。关于这种异常白色组织剥落，将另文讨论。

图4 异常白色组织变化型剥落

3 影响疲劳的因素

从疲劳微观机理看,凡是影响剪切应力、位错运动、碳原子扩散的因素均会影响轴承的滚动接触疲劳。

3.1 最大接触应力

显微组织变化与最大接触应力σmax及轴承工作转数的关系如图5所示[7]。滚动接触过程中，最大Hertz接触应力越大，次表面的剪切应力越大，次表面越易发生局部微观塑性变形和组织变化。图中所给的应力水平较高，轴承设计的许用应力为4 GPa，相当于38%的额定动载荷Cr；而一般工况下轴承的最大接触应力为10%Cr，即约1 GPa。出现白色组织时轴承寿命很长，承受一般动载荷的轴承往往在整个轴承寿命期间都可能不出现白色组织。近年来，随着主机的小型化，实际应用中轴承承受的载荷越来越大，出现白色组织剥落的轴承越来越常见，轴承寿命变短。从设计、制造、使用的角度，使轴承承载时承载区内的接触应力均匀分布，减少应力集中，降低最大接触应力，有助于提高轴承寿命。如降低粗糙度，对滚子轴承采用“一凸”、“二凸”、“三凸”，保证安装对中等。

图5 显微组织变化与最大接触应力及内圈转数的关系

3.2 工作温度

工作温度对接触疲劳寿命的影响及相应的组织变化分别如图6、图7所示[10]。由图可知，温度由100 ℃升高到170 ℃时，L10寿命降低了10倍以上。

图6 σmax=5.5 GPa时温度对寿命的影响

图7 不同温度下的显微组织变化

一般轴承的工作温度为100 ℃以下，若工作温度升高，疲劳寿命明显下降，对应的显微组织出现的时间越早，白色组织的数量越多，厚度越大。温度影响碳的扩散，扩散系数随温度升高呈指数增大，使组织变化加快。近年来，随着辅机轴承的工作部位越来越靠近发动机，轴承的工作温度升高，工作寿命缩短，解剖失效轴承往往发现白色组织。

3.3 接触润滑状态

滚动轴承理想的接触润滑状态为充分的弹性流体动压润滑，但实际工作中往往达不到该理想状态。润滑油供给不足、振动冲击等，使滚动接触面的粗糙峰发生直接接触，一是增加了局部接触应力；二是使表面剪切应力增大，使疲劳源向表面推移。同时金属的直接接触对润滑剂的分解起催化作用，产生氢原子，促进异常白色组织的形成。

3.4 材料及热处理状态

3.4.1 钢的洁净度和均匀性

以上所论均假定材料组织的马氏体基体上分布着均匀细小的碳化物颗粒。但实际轴承钢中不可避免地存在各种尺寸不一、分布不均的夹杂物，高硬度的夹杂物(如氧化物、Ti(C，N))与马氏体基体相结构不同：一方面，形成位错运动难以切过的相界，使位错在相界上堆积，造成微区应力集中；另一方面，因物理性能不同，热处理过程中在夹杂物周围产生相变应力集中。二者综合，使夹杂物的周围成为微观塑性变形的集中区和疲劳裂纹的优先成核部位。尤其是夹杂物刚好处于最大剪切应力区，更是如此。球轴承沟道下夹杂物周围的组织变化和微裂纹形貌如图8所示[1]。由图可知，在夹杂物周围的特定方向上形成粗大的白色条带，形如蝴蝶翅膀；在白色带的边界及带中有微裂纹产生。蝴蝶斑是由超细的铁素体晶粒和碳化物组成，其形成机理和30°带、80°带类似，均为大量局部微观塑性变形产物[11]。另外，有些尺寸较大的硬脆夹杂物在钢材的轧制或轴承零件毛坯的压力成形加工中破裂，直接成为疲劳源。该夹杂物处于表面时，由润滑油渗入其中形成油楔，成为表面起源型疲劳剥落的形核部位。因此，夹杂物数量越多，尺寸越大，形状越不规则，与基体的性能差别越大，则轴承的疲劳寿命越低。氧化物和硅酸盐类夹杂物危害较大，通过控制钢中的氧含量，可以有效降低夹杂物的数量，提高轴承接触疲劳寿命。在氧含量降至0.001%以下时，由于夹杂物尺寸分布不均会出现寿命分散现象。尽管夹杂物的总量较少，一批轴承的总体平均寿命随氧含量的降低而变长，但某个轴承零件中个别大的夹杂物刚好处于最大剪切应力区或滚动接触面上，使其寿命明显低于其他轴承。故在氧含量降低的情况下，欲保证轴承寿命一致性(或可靠度)，必须严格控制夹杂物的尺寸均匀性。

图8 夹杂物周围的蝴蝶状白色腐蚀区及微裂纹

从材料的强化机理看，使钢中硬的夹杂物呈细小均匀的弥散分布，可以起到弥散强化作用，有利于提高钢的强度。但目前的炼钢和轧制成材的技术还不能使夹杂物的尺寸及分布达到该要求，夹杂物对疲劳强度和寿命有明显的负作用，因此应严格控制钢中夹杂物的数量、尺寸和分布。

3.4.2 钢中合金元素

轴承钢中的合金元素(Cr，Si，Mo，W，V等)主要通过影响碳的扩散、回火马氏体的稳定性(包括ε-碳化物和马氏体基体的稳定性)、固溶强化、弥散强化等方面影响微区塑性变形和组织转变，从而影响疲劳寿命。非碳化物形成元素(Si，Co)溶入铁素体及ε-碳化物中，可提高回火马氏体的稳定性，延缓碳化物的转变和长大，同时具有固溶强化作用；碳化物形成元素(Cr，Mo，W，V等)与碳具有较强的亲和力，使碳原子的扩散激活能增加，阻碍碳的扩散，同时形成的细小稳定的碳化物具有弥散强化作用。总之，合金元素不仅提高了基体强度，还能阻碍碳的扩散和黑色、白色组织的形成。

另外，合金元素可提高抗软化能力，使淬回火组织在较高的温度下具有较高的强度。通过在GCr15的基础上加入Mo，Si等阻止碳元素的扩散,从而提高高温性能，开发准高温轴承钢，其使用温度达到200 ℃，用于制造汽车发动机辅机轴承，取得良好效果。国产轴承钢GCr15SiMo一般用于制造大型轴承零件，如果用于制造较高温度(低于200 ℃)下工作的轴承，也应具有相似的效果。如果轴承在更高的温度(超过300 ℃)下使用，又要求具有较高的疲劳强度，则需使用M50类高温轴承钢。

3.4.3 热处理状态

一般轴承零件的使用状态为淬回火组织。回火马氏体的晶粒细小均匀，在具有较高强度的同时，使变形均匀协调，对提高疲劳强度有利。具有一定稳定性的、适量的残余奥氏体通过相变硬化，吸收变形功，阻止疲劳裂纹的萌生和扩展，可提高疲劳强度。但过多的稳定性较差的残余奥氏体提前发生转变，形成硬脆的新鲜马氏体，且使零件尺寸发生变化，影响轴承的使用性能。

硬脆碳化物的作用在某种程度上与夹杂物相似，尤其是当碳化物的尺寸、分布不均匀程度较严重时，粗大的碳化物将成为疲劳源的优先成核部位。分布不均的组织，如严重的带状、网状碳化物，会割裂基体，使变形的协调一致性变差，尤其是受到较大的冲击载荷时危害更大。在炼钢和轧制成材、零件毛坯压力成形及以后的热处理过程中，应尽量减少碳化物的尺寸、分布不均匀程度，使碳化物呈细小匀圆状态。单纯从接触疲劳寿命的角度看，适当降低钢中碳含量，减少粗大碳化物的数量和尺寸，有利于疲劳寿命的提高，如将碳含量由1.0 %降至0.8%。但降低碳含量会影响材料的耐磨性。

在研究有白色腐蚀区的疲劳剥落的齿轮箱用轴承时发现[12]：渗碳钢制套圈的轴承疲劳剥落寿命长于全淬硬套圈的轴承，二者除心部组织及硬度外，主要差别在于表层的残余应力和残余奥氏体，渗碳钢渗碳淬火后距表面0.8 mm深处的残余应力仍大于-200 MPa，而全淬硬套圈在0.01 mm处残余应力转变为拉应力状态；同为渗碳钢制套圈的轴承，当距表面一定深度内残余奥氏体的量大于20%时，将不会在疲劳裂纹的周围出现白色组织，疲劳寿命相应较长。通过采用渗碳钢制造套圈，并在渗碳淬火后在适当深度内得到较大的残余压应力和较多的残余奥氏体，可提高轴承的疲劳寿命。

4 结束语

关于滚动轴承的滚动接触疲劳机理，目前尚有许多争议，如正常白色组织形成的特定方向受何种主导机理控制，异常白色组织的形成机理等。了解疲劳机理及影响因素对提高轴承疲劳寿命至关重要。