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滚动轴承疲劳失效形式和抗疲劳方法

大量的应用实践和寿命试验都表明轴承失效多为接触表面疲劳。GB/T 24611—2020/ISO15243:2017将疲劳列在轴承六种常见失效模式之首,被列在第六位的断裂在形成过程中也因有疲劳的原因,被称为疲劳断裂。典型的疲劳失效分为次表面起源型和表面起源型。


一、次表面起源型疲劳

滚动接触最大接触应力发生在表面下一定深度的某处,在交变应力的反复作用下,在该处形成疲劳源(微裂纹)。裂纹源在循环应力下逐步向表面扩展,形成开放式的片状裂缝,进而被撕裂为片状颗粒从表面剥落,产生麻点、凹坑。如该处轴承钢存在某种薄弱点、或缺陷(常见的如非金属夹杂物、气隙、粗大碳化物的晶界面),将加速疲劳源的形成和疲劳裂纹的扩展,大大降低疲劳寿命。

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深沟球轴承旋转内圈上的次表面起源型剥落

二、表面起源型疲劳

接触表面处有损伤,这些损伤可能是原始的,即制造过程中形成的划伤、碰痕,也可能是使用中产生的,如润滑剂中的硬颗粒,轴承零件相对运动产生的微小擦伤;损伤处可能存在润滑不良,如润滑剂贫乏,润滑剂失效;不良的润滑状态加剧滚动体与滚道之间的相对滑动,导致表面损伤处的微凸体根部产生显微裂纹;裂纹扩展导致微凸体脱落,或形成片状剥落区。这种剥落深度较浅,有时易与暗灰色蚀斑相混淆。

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圆锥滚子轴承静止内圈上已经扩展的

次表面起源型剥落

三、疲劳断裂

疲劳断裂的起源是过度紧配合产生的装配应力与循环交变应力形成的疲劳屈服,装配应力、交变应力与屈服极限之间的平衡一旦失去,便会沿套圈轴线方向产生断裂,形成贯穿状的裂缝。


实践中正常使用失效的轴承,其损坏大多如上所述,即接触表面疲劳,而三种疲劳失效类型又以次表面起源型疲劳最为常见,ASO281和ISO281/amd.2推荐的轴承寿命计算方法就是以次表面起源型疲劳为基础得出的。

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常用的抗疲劳方法有:

A、热处理技术

热处理是常用的改善材料力学性能的工艺方法,为了适应不同材料零件的不同使用要求,需要选择不同的热处理工艺,预先热处理组织、淬火加热温度、加热速度、冷却方式(介质与速度)、回火温度与时间等都对机械性能有明显影响,要对诸多热处理参数进行优化、组合,以求得适应使用条件的最佳性能,从而延长零件的耐疲劳寿命。构建热处理虚拟生产平台,推动热处理技术向高新技术知识密集型转变。热处理工艺参数的优化及发展数字化热处理技术是实现抗疲劳制造的重要前提。

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B、表面化学热处理

表面化学热处理的改性作用主要在表面,可根据不同的使用要求,选择渗入的化学元素,如渗碳后淬回火以提高表面硬度,但工件畸变不易控制:渗氮后形成金属氮化物可获得更高的表面硬度及耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性能,且工件畸变小,但效率不高;共渗工艺使硬度、耐磨、耐蚀、抗疲劳性能更优,且淬火畸变少,但硬化层薄,不宜于重载工件。表面化学热处理的发展方向是扩大低温化学处理的应用,提高渗层质量,加速处理过程,发展环保型工艺、复合渗工艺及模拟数字化处理技术。


C、表面强化技术的应用

传统的表面强化技术源于冷作硬化原理,如抛丸、喷砂、喷丸等,新的表面强化技术如激光表面硬化、激光喷丸表面硬化、超声滚光硬化、化学方法表面硬化,复合各种工艺的表面硬化新技术已在许多领域中被成功应用,如激光一喷丸工艺(激光冲击处理),使用高能脉冲激光在零件表面形成冲击波,使表面材料产生压缩和塑性变形,形成表面残余压应力,从而增强了抗疲劳能力(如抗应力裂纹、耐腐蚀疲劳等)。

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D、表面改性技术

常用的表面改性技术主要有离子注入和表面涂覆。


离子注入是非高温过程,没有冶金学和平衡相图的限制,可根据不同需要选择不同注入元素与剂量以获得预期的表面性能。如:注入铬离子以增强基体材料的抗腐蚀和耐疲劳能力;注入硼离子以增强基体的抗磨损能力。


表面涂覆技术包括物理气相沉积(PVD),化学气相沉积(CVD)射频溅射(RF)离子喷镀(PSC),化学镀等。


此外,离子渗工艺在一定真空度下利用高压直流电使被渗元素处于离子状态,使产生的离子流轰击工件表面,在表面形成化合物达到降低摩擦、提高耐磨性的目的。

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E、微细加工与光整技术

作为一种先进的制造技术,高精度的微细加工与调配、光整技术,也为提高基础零件的抗疲劳能力发挥出重要作用。超精密的研磨加工、涡流光整加工,以降低工件表面粗糙度为目的,加工后的表面理化特性、力学特性、接触处的轮廓形状都发生有益的改变,可修正接触应力分布,利于动力润滑油膜的形成,提高疲劳寿命。


F、协调硬度匹配

不同零件的硬度匹配关系,也能协调滚动接触处的应力与应变传递状态,对延长零件的疲劳寿命产生明显效果。

(来源:可靠性知识)



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