轴承滚动接触疲劳造成的轴承失效

轴承是机器中承受载荷和传递运动的关键部件。现代装备制造业日益增长的功率密度的挑战，对承载能力和可靠性提出了更高的要求。

目前，由轴承滚动接触疲劳引起的轴承失效一般很少发生，滚动轴承的最终使用寿命通常远远超过计算的额定寿命。但轴承在某些应用场合会过早失效，其使用寿命只占计算额定寿命的5% ~ 10%。轴承过早失效的时间间隔通常很短，即与正常滚动接触疲劳相比，呈现高斜率的威布尔分布(图1)。

威布尔轴承失效分布，红色斜线:典型的早期失效情况；蓝色斜线:正常接触疲劳试验的斜率。

许多早期失效的轴承都有一个典型特征——存在大面积具有“白色腐蚀形貌”的亚表面裂纹网络，通常称为白色腐蚀裂纹(WEC)(图2)。这种裂纹一般会扩散到表面，导致滚道剥落。这种现象常见于风力发电机齿轮箱、汽车传动系统、交流发电机及周边辅助设备、造纸厂、船舶推进系统等的退货产品中。一些典型的例子如图3所示。在过去的15年中，业界广泛讨论了这一故障的根本原因，并根据不同角度的检查提出了各种假设。中列出了对各种假设的综合评估和分析。在过去的几十年里，人们从不同的角度研究了轴承过早失效的问题，因此对这个问题的具体方面有了更多的了解。然而，在轴承失效分析方面，主要参与者对根本原因和失效机理仍缺乏共识。

对白色腐蚀裂纹现象进行更深入的调查和研究旨在阐明白色腐蚀裂纹在滚动接触疲劳和加速疲劳(轴承过早剥落)过程中的作用。尽管材料科学界仍在讨论这个问题，但SKF的研究表明，白色腐蚀裂纹出现在失效链的末端，这是过早失效轴承的裂纹网络的自然结果。认为白色腐蚀裂纹是疲劳失效的征兆，而不是根本原因。本文阐述了专家们对过早失效和白色腐蚀裂纹的共识。此外，提出了白色腐蚀裂纹的定义，讨论了其成因，提出了导致白色腐蚀裂纹的所有失效机理。

1.白色腐蚀裂纹的定义

白色腐蚀裂纹是轴承钢显微组织中的裂纹，裂纹上点缀着白色腐蚀区域。白浸蚀是指对钢铁样品进行抛光、浸蚀时，发现其微观结构发生了变化，呈现出白色的外观。受影响区域由超细纳米再结晶的无碳化物铁素体或具有极细碳化物颗粒分布的铁素体组成。

白色腐蚀区是由反复轧制过程中的摩擦引起的裂纹表面非晶化形成的。因为这些区域对腐蚀反应不敏感，所以在光学显微镜下呈白色。裂纹周围的白色蚀刻区域比附近未受影响的微结构硬10%到50%。

2.形成原因

2.1滚动接触疲劳中的白色腐蚀裂纹

众所周知，小型重载长期运行轴承在失效前会经历几个疲劳阶段(极高周疲劳)。

第一阶段是振动硬化阶段，会导致微塑性变形、加工硬化，最终积累残余应力。在振动硬化状态下，轴承表面可能会发生一些微塑性变形，变形部分的粗糙表面会变平。

振动淬火后开始进入影响轴承寿命的主要环节，表现为显微组织的逐渐变化。在这个阶段，碳化物的分布由于微塑性变形而改变。此外，残余奥氏体可能会逐渐减少，所有的显微组织变化都伴随着残余应力的积累。

在轴承滚动接触疲劳的最后阶段，发现了伴随白色腐蚀的深色腐蚀区(DER)、低角度带(LAB)和高角度带(HAB)(图4左侧)。高角度带和低角度带虽然都是白腐蚀，但与轴承早期失效形成的不规则白腐蚀裂纹相比，有着不同的外观。可以得出结论，不规则白色腐蚀裂纹的形成不是滚动接触疲劳的一部分。然而，这些白色蚀刻区域的微观结构与在晶体结构过早失效中观察到的白色蚀刻区域没有太大不同。

对于大中型轴承，上面列出的效果不一定和小型重载轴承一样。与其他机械部件一样，这些轴承的典型失效原因在于其最薄弱环节的损坏(例如，夹杂物和气孔等材料结构中预先存在的缺陷)。如ISO/TR 1281-2: 2008所述，当轴承的平均直径大于100mm时，其疲劳极限会降低。另外，如果比较接触应力对较小轴承和较大轴承的影响，在较大轴承中受影响的应力体积会增大，就像薄弱环节的负面影响一样。一个例子是夹杂物，它自然存在于所有轴承钢中。另一个起作用的因素是接触应力本身；在图4给出的例子中，在产生低角度带和高角度带的地方，接触应力相对较高(> 3.2 GPa)。在很多大中型轴承中，施加的接触应力远低于3GPa，这意味着疲劳载荷处于另一种状态，导致整体损伤较少，非金属夹杂物附近的局部损伤较多。

早在20世纪60年代，就有报道称滚动接触疲劳轴承出现白色腐蚀裂纹和深色腐蚀纹。在1980年代，SKF也报道了这种情况。对过早失效的大中型轴承(通过高加速寿命试验或标准耐久试验)的后期研究证实，大范围不规则白色腐蚀裂纹网络的出现是轴承滚动接触疲劳的自然附带结果(图4右图)。

2.2加速疲劳中的白色腐蚀裂纹(过早剥落)

过早剥离(在行业中通常解释为白色腐蚀裂纹失效)和正常滚动接触疲劳可以通过剥离开始前不同事件发生所需的时间来区分(图5)。此外，与耐久性试验或正常滚动接触疲劳相比，轴承失效分析表明，过早失效通常与几个位置/区域的裂纹起裂点有关。

轴承钢产生裂纹的原因可能不同。当应力较高或强度因环境原因降低时，裂纹会加速(图6)。轴承上的应力可能高于预期。这种情况的例子如下:

意外的动力或温度影响可能会引起短期的重载荷，从而产生大的预紧力和结构变形的边缘载荷。

轴承材料中的结构应力(例如，由形状偏差、未对准或其他因素引起的)将增加材料中的应力。

恶劣的摩擦接触条件(如过薄的油膜厚度和/或滑动条件)，加上特定的润滑剂，也可能导致滚道上的应力增加。

一些可能产生氢气的环境因素会对轴承的材料强度产生不利影响。这些可能包括:水污染、腐蚀和杂散电流。在这些情况下，正常负载条件可能会导致过早故障。

通过特殊轴承试验，验证了加速疲劳的原因，都与较高的应力和较低的材料强度有关。

一旦裂纹成核(有时伴有深色腐蚀区的出现)，裂纹表面的摩擦过程会使材料从裂纹的一侧转移到另一侧。这将导致锯齿形裂纹的出现和裂纹接收面上白色蚀刻微结构的积累。

白色腐蚀区的发展还取决于亚表面裂纹的方向，这可能与内力和变形方式有关。这就是为什么白色腐蚀区更常见于水平裂纹(平行于滚道)，而垂直裂纹往往较少出现白色腐蚀区的迹象。此外，白色腐蚀区还取决于裂纹面之间的间隙、应力循环次数以及材料内部的应力状态。

2.3应力增加导致的白色腐蚀裂纹示例

图8、9和10显示了开始出现与应力相关的白色腐蚀裂纹的两个例子。图8和图9所示的结果与轴承试验台有关，该试验台的设计是通过波纹人为地将结构应力或结构变形引入轴承座，从而在轴承内圈产生局部拉应力。本试验采用圆柱滚子轴承，其内圈(内径为220mm)以正常配合安装在五叶片波纹套筒上，套筒以过盈配合安装在轴上。硬车制作的波纹套在内圈轨道面附近会产生五个拉应力约205MPa的区域。试验轴承是改进的双列圆柱滚子轴承，在内圈中心部位配置一排8个滚子，而不是两排24个滚子，以适应试验台的试验能力，达到所需的接触应力。轴承材料为SAE 52100(100Cr6)钢，金相组织为回火马氏体，残余奥氏体含量高达7%(体积分数)，硬度为62 HRC。

这些轴承是在最大赫兹接触压力为1.8 GPa、卡伯值约为2的条件下测试的。测试轴承，直到它失效。

五叶片波纹套筒上的一个轴承在1150小时后(相当于6.35×108个应力循环)发生故障，滚道上出现可见的轴向裂纹。第二个轴承在1570小时后(相当于8.67×108个应力循环)失效，出现了两条可见的轴向裂纹。轴向裂纹的位置与圆周方向上的一个峰重合，在该峰处有一个拉应力区。

需要注意的是，之前已经在相同条件下使用标准轴配合(无人为引入的波纹)对四个相同的轴承进行了测试，测试在大约2200小时后暂停(对应于1.21×109个应力循环)。在此之前，这四个轴承都没有出现故障。在后来的分析中没有发现表面裂纹和亚表面白色腐蚀裂纹。

后期分析包括使用超声波检测(UST)和渗透检测的无损检测(NDT)、套圈圆度测量、断裂分析和显微镜下的金相检验。

如图9所示，在具有开口裂纹的样品上制备横截面。腐蚀后，在光学显微镜下可以观察到主裂纹的一部分呈现白色，裂纹在表面以下约500微米的深度处分支。分叉裂纹也是一种白色腐蚀裂纹，沿平行于滚道的方向扩展，距离主裂纹约400微米。裂纹的放大图证实了裂纹相互连接并在表面下形成网状白色腐蚀裂纹的理论。在对应于波纹套轴顶部的另外两个圆周位置，也制备了横截面。虽然在表面上没有观察到表面裂纹，但在这些区域的表面下发现了许多白色腐蚀裂纹，这些裂纹在试验过程中具有由波纹引起的拉应力。

光学显微镜下显示轴向裂纹平行截面的白色蚀刻裂纹，以及三个指示区域的放大图像。部分主裂纹和分叉裂纹伴有白色腐蚀带。(b)、(c)和(d)中的照片分别是由(a)中的数字1-3表示的放大区域。

在短时重载期间，在良好的润滑条件下(kappa约为3.5)，轴承可承受3GPa以上的接触应力约15分钟。

在径向测试台上安装承受短期重载的轴承。然后，在接触应力为1.7GPa、Kappa值约为2的润滑条件下进行测试。在这种情况下，轴承在大约3.3×107个周期之前停止支承或失效。显示了外环的圆周切割和金相蚀刻的结果。由于外圈轴承区域剥落，相关轴承在1.9×107次循环后失效。

2.4由于低材料强度导致的白色腐蚀裂纹示例

给出了渗氢轴承表面下白色腐蚀裂纹的实例。有和没有氢渗透的角接触球轴承和深沟球轴承的详细后分析。

2.5摩擦和润滑剂共同影响下的白色腐蚀裂纹示例

在用FE8试验台对润滑油进行评定试验的过程中，发现失效的81212圆柱滚子推力轴承中存在白色腐蚀裂纹[23]。到目前为止，在混合摩擦和高滑动运动(不代表径向滚子轴承)的混合试验条件下，还没有得出结论性的结果。到目前为止，FE8试验中的白色腐蚀裂纹主要是由表面疲劳引起的(其中润滑剂也起了重要作用)，或者是氢气进入的结果，或者两者都有，所以无法给出最终结论。

采用钢对钢试验系统对81212圆柱滚子推力轴承进行试验。轴承采用SAE 52100标准轴承钢，马氏体硬化，残余奥氏体含量小于3%，硬度约60HRC。这些轴承在中等负荷(最大接触应力约为1.9GPa)和润滑不足(kappa约为0.3)的情况下进行测试。

试验中使用了不同的润滑油和混合油。典型的故障现象。

虽然这里没有详细描述，但是在所有的测试中，主要失效的是滚轮，很少有垫圈失效。测试一直持续到失败(剥离)或最终停止。对于因剥落和发现白色腐蚀裂纹而失效的轴承，假设在任何剥落发生之前，已经产生了带有白色腐蚀斑点的亚表面裂纹。作出这一假设是因为有时在非剥离零件中会发现亚表面裂纹。

3.讨论

上述发现解释了为什么在所有类型的工业、所有类型的轴承和所有类型的热处理(整体硬化和表面硬化材料)中都可以发现白色腐蚀裂纹。这是因为白色腐蚀裂纹出现在失效链的末端，是过早失效轴承中裂纹网络的自然结果。

要找出轴承过早失效的根本原因，关键不仅要研究白色腐蚀裂纹，还要找出导致加速疲劳的相关弱化效应(与较高的应力或较低的材料强度有关)。

一般来说，任何机械部件的失效都是由其最薄弱环节的损坏引起的。当局部应力超过局部强度时，就会发生这种情况。过早失效是最薄弱环节明显弱化的结果。在各种应用中使用的滚动轴承的可靠性符合最薄弱环节原则。弱点总是存在于材料或工作接触面上。如果最薄弱的环节出现问题，轴承就会失效。当润滑条件差或表面粗糙(如颗粒压痕)时，最薄弱的环节最容易出现在表面，然后表面损伤(如表面疲劳或磨损)会导致轴承失效。在良好的润滑条件下，由于材料缺陷的存在(例如，夹杂物和赫兹接触导致的高剪切应力，轴承失效导致的材料预先存在的缺陷导致的裂纹萌生和扩展)，那么最薄弱的环节可能就在表面之下。

对于滚动轴承，最薄弱环节的强度可能与所谓的“疲劳极限”载荷或应力极限有关。如果超过疲劳极限，轴承将失效。当疲劳极限显著降低时，换句话说，当最薄弱环节的强度显著降低时，轴承将过早失效。造成早期裂纹并加速裂纹扩展，最终导致轴承过早失效的原因，是高应力或材料强度降低导致的弱化，而不是白色腐蚀裂纹。在没有弱化现象的情况下，轴承也可能失效，这是正常滚动接触疲劳下单点剥落的结果，很少或不会出现白色腐蚀裂纹。这是因为当材料的寿命结束时，裂纹会迅速扩展[7]。换句话说，裂纹系统中没有物质转化的时间。随着弱化程度的增加，轴承可能过早失效，表现为大范围的白色腐蚀裂纹，这是因为裂纹系统中的材料有时间局部地从深色腐蚀区变为白色腐蚀区。随着严重程度的增加，在小范围内可能出现点缀着白色腐蚀区的轴向裂纹，甚至出现没有白色腐蚀区的断口，这是由于裂纹扩展较快。