滾動(dòng)軸承是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的精密部件之一，其性能和壽命對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵性作用。隨著航空領(lǐng)域高端技術(shù)的發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)滾動(dòng)軸承要在持續(xù)過(guò)載、振動(dòng)載荷、冷熱交替等復(fù)雜環(huán)境下工作，其中載荷是滾動(dòng)軸承早期失效和制約其使用壽命的關(guān)鍵影響因素。2009~2014年，因載荷引起的航空軸承失效比例達(dá)到40%。

某型號(hào)航空球軸承由內(nèi)外套圈、滾動(dòng)體和保持架組成，其外圈無(wú)擋邊，內(nèi)圈由雙半內(nèi)圈組成，無(wú)擋邊，內(nèi)含16粒滾珠。軸承內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體材料均為8Cr4Mo4V鋼，保持架材料為40CrNiMoA鋼。在軸承上施加超載的徑向載荷，每30min為一階段，在軸承出現(xiàn)失效后停止施加載荷，整個(gè)過(guò)程中，外圈靜止不動(dòng)，內(nèi)圈隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

向蘋(píng)、胡宸等研究人員采用宏觀觀察、掃描電鏡(SEM)和能譜分析、金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)試等方法分析了滾動(dòng)軸承的損傷原因，研究了載荷對(duì)軸承材料組織與性能的影響規(guī)律，以防止該類問(wèn)題再次發(fā)生。

01 理化檢驗(yàn)

1.1宏觀觀察

滾動(dòng)軸承各組件宏觀形貌如圖1所示，由圖1可知：外圈和滾動(dòng)體損傷最為嚴(yán)重，外圈表面存在1處長(zhǎng)條形不規(guī)則的剝落區(qū)域，尺寸(長(zhǎng)度×寬度，下同)為100mm×20mm，剝落凹坑最大尺寸為2.7mm×1.6mm，滾動(dòng)體剝落區(qū)域的尺寸約為9mm×3mm，其余組件存在凹坑、麻點(diǎn)等輕微損傷，這些損傷產(chǎn)生的原因?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)滾動(dòng)軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工作環(huán)境下，載荷施加過(guò)大時(shí)，外圈滾道與滾動(dòng)體不斷接觸。外圈最下方位置在靜止時(shí)的受力最大，易發(fā)生損傷。

1.2掃描電鏡及能譜分析

采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察外圈滾道剝落區(qū)域，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：軸承外圈凹坑區(qū)域損傷主要以剝落坑為主，剝落坑坑底形貌凹凸不平；大部分滾道剝落區(qū)域呈現(xiàn)碾壓磨損形貌，破碎且不連續(xù)，呈光亮磨損特征，損傷程度較凹坑區(qū)域小；局部區(qū)域呈疲勞條帶特征。結(jié)合宏觀形貌特征判斷，外圈滾道表面剝落的原因?yàn)闈L動(dòng)接觸疲勞。

剝落麻點(diǎn)滾珠以及嚴(yán)重剝落滾珠表面的SEM形貌呈碾壓磨損特征(見(jiàn)圖3)，由圖3可知：剝落滾珠源區(qū)位于外表面，且相較于外圈剝落區(qū)而言，剝落面積相對(duì)較小，深度較淺。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，外圈為首先失效部件。在剝落的地方形成新的疲勞源，進(jìn)而引起滾動(dòng)體的非正常運(yùn)轉(zhuǎn)，循環(huán)往復(fù)的載荷會(huì)促進(jìn)滾動(dòng)體與外圈剝落區(qū)域的磨損，造成剝落。

對(duì)外圈滾道剝落區(qū)域的白色“蝶形”組織進(jìn)行觀察，“蝶形”組織SEM形貌如圖4所示，由圖4可知：“蝶形”組織內(nèi)部含有較多微裂紋，內(nèi)部裂紋沿著“蝶形”組織與基體的交界處或“蝶形”組織內(nèi)的碳化物擴(kuò)展，且隨著“蝶形”組織的雙翼擴(kuò)展，多處裂紋存在樹(shù)枝狀分叉現(xiàn)象。

對(duì)白色“蝶形”組織與附近基體組織進(jìn)行能譜分析,面掃描結(jié)果如圖5所示。“蝶形”組織及附近基體元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示，由表1可知：“蝶形”組織元素組成與基體無(wú)明顯差異，表明“蝶形”組織在形成過(guò)程中不存在元素的偏聚，基體之間無(wú)明顯的元素遷移現(xiàn)象。

采用聚焦等離子束法(FIB)，沿白色“蝶形”組織寬度方向制取試樣，截取的試樣包括基體材料和白色“蝶形”組織。基體與白色“蝶形”組織的透射電鏡形貌如圖6所示，可清晰地看出白色“蝶形”組織與基體是由約5nm到數(shù)十納米的黑色納米晶和灰色結(jié)構(gòu)組成的,呈現(xiàn)多晶狀態(tài)；白色“蝶形”組織的選區(qū)斑點(diǎn)衍射圖表明白色“蝶形”組織是由納米級(jí)的α鐵素體顆粒組成的。

1.3金相檢驗(yàn)

垂直于外圈剝落區(qū)周向方向以及滾珠和內(nèi)圈的縱向方向截取試樣，將試樣鑲嵌、磨拋后，置于4%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸乙醇溶液中。在光學(xué)顯微鏡下觀察試樣，發(fā)現(xiàn)外圈滾道存在類似蝴蝶狀的白色“蝶形”組織，長(zhǎng)度為0.3~0.6mm，這些白色“蝶形”組織大多與滾道周向呈45°角，內(nèi)圈以及滾動(dòng)體的顯微組織正常，由回火馬氏體組織與細(xì)小碳化物組成。軸承組件的顯微組織形貌如圖7所示。

制取外圈、滾珠截面的金相試樣，依據(jù)GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》進(jìn)行非金屬夾雜物含量的測(cè)定，結(jié)果均滿足技術(shù)要求，夾雜物等級(jí)為0.5級(jí)。外圈與滾珠剝落區(qū)附近未見(jiàn)異常的夾雜物堆積，外圈與滾珠夾雜物微觀形貌如圖8所示。

1.4硬度測(cè)試

對(duì)“蝶形”組織和基體進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，結(jié)果如表2所示。由表2可知：“蝶形”組織的硬度比基體高160HV。載荷對(duì)組織的硬度也會(huì)產(chǎn)生影響，高硬度的“蝶形”組織會(huì)破壞基體之間的變形協(xié)調(diào)性，隨著滾動(dòng)體的運(yùn)轉(zhuǎn)，基體易形成疲勞裂紋，加快剝落的過(guò)程。

02 綜合分析

滾動(dòng)軸承的外圈以及滾動(dòng)體表面發(fā)生嚴(yán)重剝落，損傷區(qū)域呈碾壓磨損形貌，局部可見(jiàn)疲勞條帶，軸承外圈以及滾動(dòng)體發(fā)生接觸疲勞剝落。接觸疲勞剝落是零件的表面或次表面在周期性的接觸應(yīng)力下形成

裂紋，引起表面材料去除的現(xiàn)象，其形貌特征主要以剝落為主。疲勞條帶是裂紋擴(kuò)展至一定距離后形成的，因此在接觸疲勞載荷作用下，接觸區(qū)域形成的巨大切應(yīng)力致使次表面形成微裂紋，在持續(xù)作用的循環(huán)應(yīng)力下，次表面的裂紋不斷擴(kuò)展直至表面剝落。

金相檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，軸承外圈次表面區(qū)可見(jiàn)較多成片分布的“蝶形”組織，較大的“蝶形”組織長(zhǎng)度可達(dá)0.2mm，部分“蝶形”組織上可見(jiàn)細(xì)小的微裂紋。在對(duì)白色“蝶形”組織進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)“蝶形”組織由體心立方結(jié)構(gòu)的α鐵素體納米晶以及非晶相組成，晶粒的細(xì)化增加了“蝶形”組織的硬度，維氏硬度測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了白色“蝶形”組織的硬度遠(yuǎn)高于基體。“蝶形”組織與基體組織的成分未見(jiàn)明顯差異，說(shuō)明“蝶形”組織為基體的變異組織。

目前研究結(jié)果表明，以下兩種因素均可能會(huì)導(dǎo)致“蝶形”組織：①軸承承受較大的接觸應(yīng)力；②軸承內(nèi)部存在缺陷。白色“蝶形”組織是在載荷試驗(yàn)后產(chǎn)生的，且在對(duì)外圈滾道顯微組織進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)定時(shí)，未見(jiàn)異常的夾雜物形態(tài)。此外，“蝶形”組織的長(zhǎng)度方向與接觸疲勞中的剪切應(yīng)力方向(45°)接近，與載荷作用下次表面的循環(huán)交變剪切應(yīng)力密切相關(guān)。因此，“蝶形”組織是在循環(huán)接觸載荷作用下，由塑性應(yīng)變累積形成的，每一次循環(huán)作用產(chǎn)生的塑性變形都會(huì)伴隨著顯微組織的滑移，并累積至一定程度，導(dǎo)致顯微組織結(jié)構(gòu)的變化。“蝶形”組織一方面割斷了材料的連續(xù)性，降低了材料的抗疲勞能力；另一方面，“蝶形”組織的硬度高，脆性大，變形協(xié)調(diào)能力差，在外力作用下會(huì)引起應(yīng)力集中，可能成為疲勞裂紋源，致使材料發(fā)生剝落。

03 結(jié)論

(1)載荷試驗(yàn)對(duì)軸承的外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體、保持架都造成了一定程度的損傷。外圈以及滾動(dòng)體發(fā)生剝落，內(nèi)圈、保持架有周向劃痕和凹坑，產(chǎn)生原因?yàn)樗苄宰冃我约澳チＤp。

(2)金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)軸承外圈剝落區(qū)域存在白色“蝶形”組織，表明軸承材料組織受到了疲勞損傷。白色“蝶形”組織是具有高硬度的納米細(xì)晶組織，與基體的硬度差異較大，導(dǎo)致在其邊緣以及內(nèi)部產(chǎn)生疲勞裂紋。“蝶形”組織是滾道次表面組織疲勞損傷的產(chǎn)物，其破壞了基體組織的連續(xù)性，降低了材料的均勻變形能力，在與基體組織的界面位置形成應(yīng)力集中，降低了軸承的疲勞性能，萌生了疲勞裂紋，在循環(huán)往復(fù)應(yīng)力的作用下，裂紋不斷擴(kuò)展,直至材料表面發(fā)生剝離，導(dǎo)致材料發(fā)生接觸疲勞損傷。

(3)高載荷下的軸承失效模式以接觸疲勞失效為主，還有塑性變形、磨損，在這些因素的共同作用下，軸承發(fā)生損傷。