什么原因导致出现腐蚀裂纹?

根据轴承失效分析,轴承白色腐蚀裂纹(WEC)的根源可以 追溯至轴承滚动接触疲劳 以及 加速滚动接触疲劳.
对于过早剥落的轴承,有两个物理参数会加速滚动接触疲劳:


应力高于预期
作用于轴承的应力可能高于预期。 意外的动力或温度效应可导致短时重型载荷,使结构变形产生高预载荷。 轴承散装材料的结构应力(如,因形状偏差、不对中或其他因素)增加了材料应力。 滚道应力提高也可能因严重的摩擦接触条件(例如,边缘负载、低油膜厚度和/或滑动条件)结合特定润滑剂而造成。

强度低于预期
轴承的材料强度可能受到环境因素的不利影响,疑似生成了氢。 这些可能包括水污染、腐蚀、杂散电流和其他因素。 在这些情况下,中等的载荷条件可能导致提前失效(图 1)。


尽管材料科学界仍在讨论之中,轴承失效分析的下述详细结果有力地证明 WEC 发生在故障链的末尾,并且是失效轴承裂纹网络的自然结果。


滚动接触疲劳

对于小型、高载荷且长期运行的轴承(很高的周期疲劳),已知轴承可一直运行多个疲劳阶段,直至失效。

第一个阶段是稳固阶段,导致微塑性变形、硬化并最终导致残余应力积聚。 稳固期间,轴承表面可能出现一些微塑性变形,粗糙处被平滑化。

稳固之后,轴承寿命的主要部分开始了,其特点是微结构的逐渐变化。 在这一阶段,碳化物分布因微塑性变形而发生变化。 此外,保留的粗糙处可能腐蚀,所有微结构变化均伴有残余应力的积聚。

在轴承滚动接触疲劳的高级阶段,可发现灰色腐蚀区域(DER)和白色腐蚀、高角度带(HAB)和低角度带(LAB)(图 2)。 尽管 HAB 和 LAB 也是白色腐蚀,但相比轴承过早失效中出现的异常 WEC 外形,其具有不同的外观。 因此得出结论:异常 WEC 外形不是 RCF(滚动接触疲劳)的一部分。 然而,相比于过早失效中观察到的腐蚀区域,这些白色腐蚀区域的微结构在水晶结构方面非常不同。

对于中-大型轴承,上述效应的发生方式不一定与小型、重载轴承相同。 与其他机械部件相同,这些轴承一般因最薄弱的环节损坏而失效(即,材料结构中预先存在的偏差,例如,杂质和开孔)。 正如 ISO/TR 1281-2_2008 中所解释的,当轴承尺寸大于 100 mm 轴承平均直径时,疲劳极限将随之降低。 此外,将较小型轴承的接触压力效应与较大型轴承进行比较时,受影响的应力容量在较大型轴承重出现上升,薄弱环节的不利影响亦是如此。 其中一个例子便是杂质,杂质是所有轴承钢的自然组成部分。

20世纪60年代有了滚动接触疲劳轴承中出现 WEC 的报告(另请参考 WEC 在20世纪80年代的作品, 图 3a)。 中-大型轴承的后期调查(来自高加速寿命测试或耐久性测试)确认延伸性异常 WEC 网络的出现是滚动接触疲劳轴承的一个天然副产品(图 3b)。

加速疲劳(过早剥落)——了解驱动因素

过早剥落(通常被解释为工业中的 WEC 失效)和轴承滚动接触疲劳之间的差异可在开始剥落前发生不同事件所需的时间范围内观察到。 此外,根据轴承失效分析结果,与耐久性测试或普通滚动接触疲劳相比,过早失效通常与多个位置/区域的初始裂纹有关(图 4)。


轴承钢初始裂纹的发生原因可能各不相同,这些裂纹可在较高应力下加速恶化,或因环境影响(例如,氢侵入钢内)而导致强度下降(图 1) 一旦产生裂纹核(有时候与灰色腐蚀区域(DER)有关),各裂纹面的摩擦过程会导致材料从裂纹一侧向另一侧转移。 这会导致蜿蜒型裂纹,加速裂纹接收侧的白色腐蚀微结构。

白色腐蚀区域(WEA)的发展也取决于裂纹在次表面中的方向,这可能与内部作用力和变型模式有关。 正因如此,WEA 通常出现在横向裂纹中(与滚道平行),而裂纹的纵向部分的 WEA 通常较少。 此外,WEA 的产生取决于裂纹面之间的间隔、应力周期的数量以及材料的内应力状态。 图 5




测试为轴承过早失效和 WEC 提供了新的见解

与多个外部合作伙伴开展了关于轴承过早失效和 WEC 的研究,包括 SKF 大学技术中心。 针对现场轴承、耐久性测试和 WEC 测试开展了多项调查。 尽管尚未完全解释清楚并且研究仍在进行当中,我们发现 WEC 可以再生和发现,并且与下列测试条件有关:

  • 中-大型轴承的耐久性测试(滚动接触疲劳)
  • 轴承环所受应力高于普通结构张应力的轴承测试
  • 短时重载荷下的轴承测试
  • 暴露于水污染下的轴承测试(图 6
  • 使用特定润滑剂的混合摩擦和高动力滑动条件下的轴承测试(图 7
  • 采用充氢部件的轴承测试
  • 承受电流损伤(电腐蚀)的轴承

 研究结果

  • 所有轴承过早失效现象均独一无二: 没有“唯一的根源”,所有失效案例均需要根据相应的运行条件进行研究。
  • 可以找到应对措施以显著提高轴承性能。

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