軸承是機(jī)器中承受載荷和傳遞運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件?，F(xiàn)代裝備制造業(yè)日益增長(zhǎng)的功率密度的挑戰(zhàn)，對(duì)承載能力和可靠性提出了更高的要求。

目前，由軸承滾動(dòng)接觸疲勞引起的軸承失效一般很少發(fā)生，滾動(dòng)軸承的最終使用壽命通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過計(jì)算的額定壽命。但軸承在某些應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)過早失效，其使用壽命只占計(jì)算額定壽命的5% ~ 10%。軸承過早失效的時(shí)間間隔通常很短，即與正常滾動(dòng)接觸疲勞相比，呈現(xiàn)高斜率的威布爾分布(圖1)。

威布爾軸承失效分布，紅色斜線:典型的早期失效情況；藍(lán)色斜線:正常接觸疲勞試驗(yàn)的斜率。

許多早期失效的軸承都有一個(gè)典型特征——存在大面積具有“白色腐蝕形貌”的亞表面裂紋網(wǎng)絡(luò)，通常稱為白色腐蝕裂紋(WEC)(圖2)。這種裂紋一般會(huì)擴(kuò)散到表面，導(dǎo)致滾道剝落。這種現(xiàn)象常見于風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱、汽車傳動(dòng)系統(tǒng)、交流發(fā)電機(jī)及周邊輔助設(shè)備、造紙廠、船舶推進(jìn)系統(tǒng)等的退貨產(chǎn)品中。一些典型的例子如圖3所示。在過去的15年中，業(yè)界廣泛討論了這一故障的根本原因，并根據(jù)不同角度的檢查提出了各種假設(shè)。中列出了對(duì)各種假設(shè)的綜合評(píng)估和分析。在過去的幾十年里，人們從不同的角度研究了軸承過早失效的問題，因此對(duì)這個(gè)問題的具體方面有了更多的了解。然而，在軸承失效分析方面，主要參與者對(duì)根本原因和失效機(jī)理仍缺乏共識(shí)。

對(duì)白色腐蝕裂紋現(xiàn)象進(jìn)行更深入的調(diào)查和研究旨在闡明白色腐蝕裂紋在滾動(dòng)接觸疲勞和加速疲勞(軸承過早剝落)過程中的作用。盡管材料科學(xué)界仍在討論這個(gè)問題，但SKF的研究表明，白色腐蝕裂紋出現(xiàn)在失效鏈的末端，這是過早失效軸承的裂紋網(wǎng)絡(luò)的自然結(jié)果。認(rèn)為白色腐蝕裂紋是疲勞失效的征兆，而不是根本原因。本文闡述了專家們對(duì)過早失效和白色腐蝕裂紋的共識(shí)。此外，提出了白色腐蝕裂紋的定義，討論了其成因，提出了導(dǎo)致白色腐蝕裂紋的所有失效機(jī)理。

1.白色腐蝕裂紋的定義

白色腐蝕裂紋是軸承鋼顯微組織中的裂紋，裂紋上點(diǎn)綴著白色腐蝕區(qū)域。白浸蝕是指對(duì)鋼鐵樣品進(jìn)行拋光、浸蝕時(shí)，發(fā)現(xiàn)其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，呈現(xiàn)出白色的外觀。受影響區(qū)域由超細(xì)納米再結(jié)晶的無碳化物鐵素體或具有極細(xì)碳化物顆粒分布的鐵素體組成。

白色腐蝕區(qū)是由反復(fù)軋制過程中的摩擦引起的裂紋表面非晶化形成的。因?yàn)檫@些區(qū)域?qū)Ωg反應(yīng)不敏感，所以在光學(xué)顯微鏡下呈白色。裂紋周圍的白色蝕刻區(qū)域比附近未受影響的微結(jié)構(gòu)硬10%到50%。

2.形成原因

2.1滾動(dòng)接觸疲勞中的白色腐蝕裂紋

眾所周知，小型重載長(zhǎng)期運(yùn)行軸承在失效前會(huì)經(jīng)歷幾個(gè)疲勞階段(極高周疲勞)。

第一階段是振動(dòng)硬化階段，會(huì)導(dǎo)致微塑性變形、加工硬化，最終積累殘余應(yīng)力。在振動(dòng)硬化狀態(tài)下，軸承表面可能會(huì)發(fā)生一些微塑性變形，變形部分的粗糙表面會(huì)變平。

振動(dòng)淬火后開始進(jìn)入影響軸承壽命的主要環(huán)節(jié)，表現(xiàn)為顯微組織的逐漸變化。在這個(gè)階段，碳化物的分布由于微塑性變形而改變。此外，殘余奧氏體可能會(huì)逐漸減少，所有的顯微組織變化都伴隨著殘余應(yīng)力的積累。

在軸承滾動(dòng)接觸疲勞的最后階段，發(fā)現(xiàn)了伴隨白色腐蝕的深色腐蝕區(qū)(DER)、低角度帶(LAB)和高角度帶(HAB)(圖4左側(cè))。高角度帶和低角度帶雖然都是白腐蝕，但與軸承早期失效形成的不規(guī)則白腐蝕裂紋相比，有著不同的外觀。可以得出結(jié)論，不規(guī)則白色腐蝕裂紋的形成不是滾動(dòng)接觸疲勞的一部分。然而，這些白色蝕刻區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)與在晶體結(jié)構(gòu)過早失效中觀察到的白色蝕刻區(qū)域沒有太大不同。

對(duì)于大中型軸承，上面列出的效果不一定和小型重載軸承一樣。與其他機(jī)械部件一樣，這些軸承的典型失效原因在于其最薄弱環(huán)節(jié)的損壞(例如，夾雜物和氣孔等材料結(jié)構(gòu)中預(yù)先存在的缺陷)。如ISO/TR 1281-2: 2008所述，當(dāng)軸承的平均直徑大于100mm時(shí)，其疲勞極限會(huì)降低。另外，如果比較接觸應(yīng)力對(duì)較小軸承和較大軸承的影響，在較大軸承中受影響的應(yīng)力體積會(huì)增大，就像薄弱環(huán)節(jié)的負(fù)面影響一樣。一個(gè)例子是夾雜物，它自然存在于所有軸承鋼中。另一個(gè)起作用的因素是接觸應(yīng)力本身；在圖4給出的例子中，在產(chǎn)生低角度帶和高角度帶的地方，接觸應(yīng)力相對(duì)較高(> 3.2 GPa)。在很多大中型軸承中，施加的接觸應(yīng)力遠(yuǎn)低于3GPa，這意味著疲勞載荷處于另一種狀態(tài)，導(dǎo)致整體損傷較少，非金屬夾雜物附近的局部損傷較多。

早在20世紀(jì)60年代，就有報(bào)道稱滾動(dòng)接觸疲勞軸承出現(xiàn)白色腐蝕裂紋和深色腐蝕紋。在1980年代，SKF也報(bào)道了這種情況。對(duì)過早失效的大中型軸承(通過高加速壽命試驗(yàn)或標(biāo)準(zhǔn)耐久試驗(yàn))的后期研究證實(shí)，大范圍不規(guī)則白色腐蝕裂紋網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)是軸承滾動(dòng)接觸疲勞的自然附帶結(jié)果(圖4右圖)。

2.2加速疲勞中的白色腐蝕裂紋(過早剝落)

過早剝離(在行業(yè)中通常解釋為白色腐蝕裂紋失效)和正常滾動(dòng)接觸疲勞可以通過剝離開始前不同事件發(fā)生所需的時(shí)間來區(qū)分(圖5)。此外，與耐久性試驗(yàn)或正常滾動(dòng)接觸疲勞相比，軸承失效分析表明，過早失效通常與幾個(gè)位置/區(qū)域的裂紋起裂點(diǎn)有關(guān)。

軸承鋼產(chǎn)生裂紋的原因可能不同。當(dāng)應(yīng)力較高或強(qiáng)度因環(huán)境原因降低時(shí)，裂紋會(huì)加速(圖6)。軸承上的應(yīng)力可能高于預(yù)期。這種情況的例子如下:

意外的動(dòng)力或溫度影響可能會(huì)引起短期的重載荷，從而產(chǎn)生大的預(yù)緊力和結(jié)構(gòu)變形的邊緣載荷。

軸承材料中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力(例如，由形狀偏差、未對(duì)準(zhǔn)或其他因素引起的)將增加材料中的應(yīng)力。

惡劣的摩擦接觸條件(如過薄的油膜厚度和/或滑動(dòng)條件)，加上特定的潤(rùn)滑劑，也可能導(dǎo)致滾道上的應(yīng)力增加。

一些可能產(chǎn)生氫氣的環(huán)境因素會(huì)對(duì)軸承的材料強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。這些可能包括:水污染、腐蝕和雜散電流。在這些情況下，正常負(fù)載條件可能會(huì)導(dǎo)致過早故障。

通過特殊軸承試驗(yàn)，驗(yàn)證了加速疲勞的原因，都與較高的應(yīng)力和較低的材料強(qiáng)度有關(guān)。

一旦裂紋成核(有時(shí)伴有深色腐蝕區(qū)的出現(xiàn))，裂紋表面的摩擦過程會(huì)使材料從裂紋的一側(cè)轉(zhuǎn)移到另一側(cè)。這將導(dǎo)致鋸齒形裂紋的出現(xiàn)和裂紋接收面上白色蝕刻微結(jié)構(gòu)的積累。

白色腐蝕區(qū)的發(fā)展還取決于亞表面裂紋的方向，這可能與內(nèi)力和變形方式有關(guān)。這就是為什么白色腐蝕區(qū)更常見于水平裂紋(平行于滾道)，而垂直裂紋往往較少出現(xiàn)白色腐蝕區(qū)的跡象。此外，白色腐蝕區(qū)還取決于裂紋面之間的間隙、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)以及材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。

2.3應(yīng)力增加導(dǎo)致的白色腐蝕裂紋示例

圖8、9和10顯示了開始出現(xiàn)與應(yīng)力相關(guān)的白色腐蝕裂紋的兩個(gè)例子。圖8和圖9所示的結(jié)果與軸承試驗(yàn)臺(tái)有關(guān)，該試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)是通過波紋人為地將結(jié)構(gòu)應(yīng)力或結(jié)構(gòu)變形引入軸承座，從而在軸承內(nèi)圈產(chǎn)生局部拉應(yīng)力。本試驗(yàn)采用圓柱滾子軸承，其內(nèi)圈(內(nèi)徑為220mm)以正常配合安裝在五葉片波紋套筒上，套筒以過盈配合安裝在軸上。硬車制作的波紋套在內(nèi)圈軌道面附近會(huì)產(chǎn)生五個(gè)拉應(yīng)力約205MPa的區(qū)域。試驗(yàn)軸承是改進(jìn)的雙列圓柱滾子軸承，在內(nèi)圈中心部位配置一排8個(gè)滾子，而不是兩排24個(gè)滾子，以適應(yīng)試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)?zāi)芰?，達(dá)到所需的接觸應(yīng)力。軸承材料為SAE 52100(100Cr6)鋼，金相組織為回火馬氏體，殘余奧氏體含量高達(dá)7%(體積分?jǐn)?shù))，硬度為62 HRC。

這些軸承是在最大赫茲接觸壓力為1.8 GPa、卡伯值約為2的條件下測(cè)試的。測(cè)試軸承，直到它失效。

五葉片波紋套筒上的一個(gè)軸承在1150小時(shí)后(相當(dāng)于6.35×108個(gè)應(yīng)力循環(huán))發(fā)生故障，滾道上出現(xiàn)可見的軸向裂紋。第二個(gè)軸承在1570小時(shí)后(相當(dāng)于8.67×108個(gè)應(yīng)力循環(huán))失效，出現(xiàn)了兩條可見的軸向裂紋。軸向裂紋的位置與圓周方向上的一個(gè)峰重合，在該峰處有一個(gè)拉應(yīng)力區(qū)。

需要注意的是，之前已經(jīng)在相同條件下使用標(biāo)準(zhǔn)軸配合(無人為引入的波紋)對(duì)四個(gè)相同的軸承進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試在大約2200小時(shí)后暫停(對(duì)應(yīng)于1.21×109個(gè)應(yīng)力循環(huán))。在此之前，這四個(gè)軸承都沒有出現(xiàn)故障。在后來的分析中沒有發(fā)現(xiàn)表面裂紋和亞表面白色腐蝕裂紋。

后期分析包括使用超聲波檢測(cè)(UST)和滲透檢測(cè)的無損檢測(cè)(NDT)、套圈圓度測(cè)量、斷裂分析和顯微鏡下的金相檢驗(yàn)。

如圖9所示，在具有開口裂紋的樣品上制備橫截面。腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡下可以觀察到主裂紋的一部分呈現(xiàn)白色，裂紋在表面以下約500微米的深度處分支。分叉裂紋也是一種白色腐蝕裂紋，沿平行于滾道的方向擴(kuò)展，距離主裂紋約400微米。裂紋的放大圖證實(shí)了裂紋相互連接并在表面下形成網(wǎng)狀白色腐蝕裂紋的理論。在對(duì)應(yīng)于波紋套軸頂部的另外兩個(gè)圓周位置，也制備了橫截面。雖然在表面上沒有觀察到表面裂紋，但在這些區(qū)域的表面下發(fā)現(xiàn)了許多白色腐蝕裂紋，這些裂紋在試驗(yàn)過程中具有由波紋引起的拉應(yīng)力。

光學(xué)顯微鏡下顯示軸向裂紋平行截面的白色蝕刻裂紋，以及三個(gè)指示區(qū)域的放大圖像。部分主裂紋和分叉裂紋伴有白色腐蝕帶。(b)、(c)和(d)中的照片分別是由(a)中的數(shù)字1-3表示的放大區(qū)域。

在短時(shí)重載期間，在良好的潤(rùn)滑條件下(kappa約為3.5)，軸承可承受3GPa以上的接觸應(yīng)力約15分鐘。

在徑向測(cè)試臺(tái)上安裝承受短期重載的軸承。然后，在接觸應(yīng)力為1.7GPa、Kappa值約為2的潤(rùn)滑條件下進(jìn)行測(cè)試。在這種情況下，軸承在大約3.3×107個(gè)周期之前停止支承或失效。顯示了外環(huán)的圓周切割和金相蝕刻的結(jié)果。由于外圈軸承區(qū)域剝落，相關(guān)軸承在1.9×107次循環(huán)后失效。

2.4由于低材料強(qiáng)度導(dǎo)致的白色腐蝕裂紋示例

給出了滲氫軸承表面下白色腐蝕裂紋的實(shí)例。有和沒有氫滲透的角接觸球軸承和深溝球軸承的詳細(xì)后分析。

2.5摩擦和潤(rùn)滑劑共同影響下的白色腐蝕裂紋示例

在用FE8試驗(yàn)臺(tái)對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行評(píng)定試驗(yàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)失效的81212圓柱滾子推力軸承中存在白色腐蝕裂紋[23]。到目前為止，在混合摩擦和高滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)(不代表徑向滾子軸承)的混合試驗(yàn)條件下，還沒有得出結(jié)論性的結(jié)果。到目前為止，F(xiàn)E8試驗(yàn)中的白色腐蝕裂紋主要是由表面疲勞引起的(其中潤(rùn)滑劑也起了重要作用)，或者是氫氣進(jìn)入的結(jié)果，或者兩者都有，所以無法給出最終結(jié)論。

采用鋼對(duì)鋼試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)81212圓柱滾子推力軸承進(jìn)行試驗(yàn)。軸承采用SAE 52100標(biāo)準(zhǔn)軸承鋼，馬氏體硬化，殘余奧氏體含量小于3%，硬度約60HRC。這些軸承在中等負(fù)荷(最大接觸應(yīng)力約為1.9GPa)和潤(rùn)滑不足(kappa約為0.3)的情況下進(jìn)行測(cè)試。

試驗(yàn)中使用了不同的潤(rùn)滑油和混合油。典型的故障現(xiàn)象。

雖然這里沒有詳細(xì)描述，但是在所有的測(cè)試中，主要失效的是滾輪，很少有墊圈失效。測(cè)試一直持續(xù)到失敗(剝離)或最終停止。對(duì)于因剝落和發(fā)現(xiàn)白色腐蝕裂紋而失效的軸承，假設(shè)在任何剝落發(fā)生之前，已經(jīng)產(chǎn)生了帶有白色腐蝕斑點(diǎn)的亞表面裂紋。作出這一假設(shè)是因?yàn)橛袝r(shí)在非剝離零件中會(huì)發(fā)現(xiàn)亞表面裂紋。

3.討論

上述發(fā)現(xiàn)解釋了為什么在所有類型的工業(yè)、所有類型的軸承和所有類型的熱處理(整體硬化和表面硬化材料)中都可以發(fā)現(xiàn)白色腐蝕裂紋。這是因?yàn)榘咨g裂紋出現(xiàn)在失效鏈的末端，是過早失效軸承中裂紋網(wǎng)絡(luò)的自然結(jié)果。

要找出軸承過早失效的根本原因，關(guān)鍵不僅要研究白色腐蝕裂紋，還要找出導(dǎo)致加速疲勞的相關(guān)弱化效應(yīng)(與較高的應(yīng)力或較低的材料強(qiáng)度有關(guān))。

一般來說，任何機(jī)械部件的失效都是由其最薄弱環(huán)節(jié)的損壞引起的。當(dāng)局部應(yīng)力超過局部強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。過早失效是最薄弱環(huán)節(jié)明顯弱化的結(jié)果。在各種應(yīng)用中使用的滾動(dòng)軸承的可靠性符合最薄弱環(huán)節(jié)原則。弱點(diǎn)總是存在于材料或工作接觸面上。如果最薄弱的環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，軸承就會(huì)失效。當(dāng)潤(rùn)滑條件差或表面粗糙(如顆粒壓痕)時(shí)，最薄弱的環(huán)節(jié)最容易出現(xiàn)在表面，然后表面損傷(如表面疲勞或磨損)會(huì)導(dǎo)致軸承失效。在良好的潤(rùn)滑條件下，由于材料缺陷的存在(例如，夾雜物和赫茲接觸導(dǎo)致的高剪切應(yīng)力，軸承失效導(dǎo)致的材料預(yù)先存在的缺陷導(dǎo)致的裂紋萌生和擴(kuò)展)，那么最薄弱的環(huán)節(jié)可能就在表面之下。

對(duì)于滾動(dòng)軸承，最薄弱環(huán)節(jié)的強(qiáng)度可能與所謂的“疲勞極限”載荷或應(yīng)力極限有關(guān)。如果超過疲勞極限，軸承將失效。當(dāng)疲勞極限顯著降低時(shí)，換句話說，當(dāng)最薄弱環(huán)節(jié)的強(qiáng)度顯著降低時(shí)，軸承將過早失效。造成早期裂紋并加速裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致軸承過早失效的原因，是高應(yīng)力或材料強(qiáng)度降低導(dǎo)致的弱化，而不是白色腐蝕裂紋。在沒有弱化現(xiàn)象的情況下，軸承也可能失效，這是正常滾動(dòng)接觸疲勞下單點(diǎn)剝落的結(jié)果，很少或不會(huì)出現(xiàn)白色腐蝕裂紋。這是因?yàn)楫?dāng)材料的壽命結(jié)束時(shí)，裂紋會(huì)迅速擴(kuò)展[7]。換句話說，裂紋系統(tǒng)中沒有物質(zhì)轉(zhuǎn)化的時(shí)間。隨著弱化程度的增加，軸承可能過早失效，表現(xiàn)為大范圍的白色腐蝕裂紋，這是因?yàn)榱鸭y系統(tǒng)中的材料有時(shí)間局部地從深色腐蝕區(qū)變?yōu)榘咨g區(qū)。隨著嚴(yán)重程度的增加，在小范圍內(nèi)可能出現(xiàn)點(diǎn)綴著白色腐蝕區(qū)的軸向裂紋，甚至出現(xiàn)沒有白色腐蝕區(qū)的斷口，這是由于裂紋擴(kuò)展較快。