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      滾動接觸疲勞中的白蝕裂紋

      2022-12-19

      眾所周知,小型、重載的長期運轉軸承在失效(非常高的循環疲勞)之前會經歷幾個疲勞階段。

      第一階段是振動硬化階段,會導致微塑性變形、加工硬化,并最終積累殘余應力。在振動硬化狀態,軸承表面也可能發生一些微塑性變形,變形部位的粗糙表面會變平。

      在振動硬化后,開始進入影響軸承壽命的主要環節,其特征是微觀結構逐漸改變。在此階段,碳化物分布由于微塑性變形而發生變化。此外,殘余的奧氏體也可能逐漸減少,所有微觀結構變化都伴隨著殘余應力的積累。

      在軸承滾動接觸疲勞的末期階段,發現有暗蝕區(DER)且伴有白蝕、低角度帶(LAB)和高角度帶(HAB)(圖4左)。雖然高角度帶和低角度帶也都是白蝕,但相比軸承早期失效中形成的不規則白蝕裂紋,它們有不同的外觀。由此可以得出結論:不規則白蝕裂紋的形成不是滾動接觸疲勞一部分。不過,這些白蝕區的微觀結構在晶體結構上與過早失效中觀察到的白蝕區并無很大區別。

      對于大中型軸承來說,上面列出的影響出現的方式,并不一定與小型重載軸承相同。與其他機械部件一樣,這些軸承典型的失效原因在于其最薄弱的環節受損(例如,夾雜物和孔隙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于100毫米時,其疲勞極限會下降。此外,若比較接觸應力對較小軸承和較大軸承的影響,受影響的應力體積在較大軸承中會增加,正如薄弱環節所產生的負面影響。其中一個例子是夾雜物,它們在所有軸承鋼中天然存在。另外一個發揮作用的因素是接觸應力本身;在圖4中給出的例子中,在低角度帶和高角度帶產生的地方,接觸應力相對較高 (>3.2 GPa)。在許多大中型軸承中,施加的接觸應力遠低于3GPa,這意味著疲勞載荷處于另一種狀態,這導致全局損傷較少,更多的是非金屬夾雜物附近的局部損傷。

      早在20世紀60年代,就有報告指出,在滾動接觸疲勞軸承中有出現白蝕裂紋和暗蝕圖案。到了80年代,SKF內部也報告了這一點。對于過早失效的大中型軸承的后期研究(通過高加速壽命測試或標準耐久測試)已經證實,大范圍的不規則白蝕裂紋網絡的出現是軸承滾動接觸疲勞的自然附帶產生的結果(圖4右)。

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      圖4:左:深溝球軸承中的暗蝕區、低角度帶和高角度帶;右:大型圓錐滾子軸承耐久測試中出現的白蝕裂紋


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