如何提高軸承在嚴(yán)苛服役環(huán)境下的使用壽命與穩(wěn)定性是我國(guó)高端軸承發(fā)展面臨的一個(gè)難題。滾動(dòng)軸承的主要失效模式是滾動(dòng)接觸疲勞,通常分為表面起源的點(diǎn)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(xiàn)象不斷減少,表面損傷誘導(dǎo)的表面起源失效成為了制約疲勞壽命進(jìn)一步提高的關(guān)鍵因素。工業(yè)應(yīng)用中常用粗糙度等形貌參數(shù)來(lái)反映軸承表面的加工質(zhì)量,而忽視了不同粗糙度表面加工形成的組織結(jié)構(gòu)差異,表面淺層的結(jié)構(gòu)差異對(duì)表面起源的滾動(dòng)接觸疲勞失效機(jī)制和疲勞壽命的影響,尚未得到充分的認(rèn)識(shí)和研究。
在中國(guó)科學(xué)院“高端軸承自主可控制造”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下,中國(guó)科學(xué)院金屬研究所材料腐蝕與防護(hù)中心王儉秋團(tuán)隊(duì)對(duì)于軸承鋼在模擬服役環(huán)境中表面損傷與制造工藝關(guān)系開(kāi)展了系統(tǒng)研究。近期,吳迪項(xiàng)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(dòng)接觸疲勞失效機(jī)制研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了不同粗糙度等級(jí)的初始表面加工工藝,通過(guò)推力盤(pán)式滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)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(qū)體,伴隨形成的機(jī)加納米晶層中存在的大量微裂紋,促進(jìn)疲勞裂紋前期擴(kuò)展(圖1)。通過(guò)降低粗糙度,更重要的是同時(shí)去除機(jī)加工納米晶層,可以使得滾動(dòng)接觸疲勞壽命有著數(shù)倍乃至于數(shù)量級(jí)式的提高(圖2),而且這種對(duì)于加工工藝的調(diào)控所需要的成本較低,對(duì)提高軸承的使用壽命與穩(wěn)定性具有重要意義。
此外,不同于以往認(rèn)為重載、低粗糙度條件下失效為亞表層引發(fā)剝落的觀點(diǎn),本研究發(fā)現(xiàn)了一種新的失效機(jī)制,即重載、低粗糙度表面條件下,表面萌生裂紋逐級(jí)擴(kuò)展形成達(dá)至亞表層深度的剝落,其主要依賴于表面凹痕產(chǎn)生的劇烈塑性變形,同時(shí)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(yīng)力集中和接觸表面間摩擦(圖3)。這為發(fā)展重載工況下具有超高滾動(dòng)接觸疲勞壽命的高端軸承,提供了一種新的表面處理設(shè)計(jì)思路。
相關(guān)研究結(jié)果近日以“Rolling contact fatigue failure mechanism of bearing steel on different surface roughness levels under heavy load”為題發(fā)表于International Journal of Fatigue 179(2024)108042。