1048 / 2023-02-17 15:28:42

轴承钢接触疲劳下亚表面白蚀区形成的本质

高速列车、大型风力发电机等机械装备向着重载高速化方向发展，轴承所处的载荷和润滑工况愈加复杂，引起轴承过早的失效。在接触疲劳载荷下，轴承内外圈亚表面材料的微观组织发生变异，形成白色蚀刻区（White Etching Area，WEA），并与之伴随着裂纹的产生。轴承因WEA失效是科学界和工程界面临的一大难题。尽管国内外学者对WEA进行了广泛和深入的研究，但由于WEA的微观结构因载荷工况、局部微观组织、甚至润滑介质的不同而产生很大差别，其形成机理目前存在很大的分歧。

本文对不同载荷工况下形成的WEA进行研究，根据其微观组织是否发生相变，将WEA分为两类：形变WEA和相变WEA。形变WEA是由晶粒尺寸为10-100nm的等轴纳米铁素体晶粒组成，而相变WEA主要是有非晶组成，其中掺杂着等轴的纳米铁素体和奥氏体晶粒，尺寸为5-10nm。这说明在接触疲劳载荷下，亚表面的微观组织除了发生晶粒细化外，还发生了非晶相变和奥氏体相变。目前关于WEA的形成机理主要是，夹杂处的氢聚集诱发WEA和裂纹、裂纹面相互摩擦引起组织细化产生WEA、局部塑性变形诱发碳化物溶解及低温再结晶机制等。然而，这些机理无法解释为什么发生相变，以及相变的机理是什么？

对现有WEA特征进行分析后，发现WEA的共性是塑性变形高度局域化后的变形带。为此，本文从塑性应变累积和剪切局域化新的角度对WEA进行了研究。通过耦合晶体塑性和相场损伤理论建立了损伤演化本构模型，研究了非金属夹杂处塑性应变累积和损伤演化。结果表明，接触疲劳载荷下，亚表面局部处的塑性应变累积导致剪切带的形成。剪切带的形貌、取向和应变与试验WEA的一致，表明WEA实际上是应变局域化的剪切带。与宏观应变（0.2）不同，剪切带中的微观应变可达0.8-1.2，这么大的应变是微观组织发生变异的驱动力。WEA的形成依赖于局部晶体取向，WEA仅在择优的晶体取向下形成。剪切带内部处于高应变和低应力的状态，带中心处应变最大，但应力最小，几乎为零，这说明该处是裂纹的萌生位置。也即，该结论阐明了裂纹和WEA形成的关系，即剪切带形成过程中，裂纹从内部萌生，而非裂纹先产生，后摩擦导致WEA形成。