如何提高軸承在嚴(yán)苛服役環(huán)境下的使用壽命與穩(wěn)定性是我國高端軸承發(fā)展面臨的一個難題。滾動軸承的主要失效模式是滾動接觸疲勞，通常分為表面起源的點(diǎn)坑和亞表層起源的剝落兩種類型。隨著冶煉和熱處理工藝水平的提高，亞表層起源的失效現(xiàn)象不斷減少，表面損傷誘導(dǎo)的表面起源失效成為了制約疲勞壽命進(jìn)一步提高的關(guān)鍵因素。工業(yè)應(yīng)用中常用粗糙度等形貌參數(shù)來反映軸承表面的加工質(zhì)量，而忽視了不同粗糙度表面加工形成的組織結(jié)構(gòu)差異，表面淺層的結(jié)構(gòu)差異對表面起源的滾動接觸疲勞失效機(jī)制和疲勞壽命的影響，尚未得到充分的認(rèn)識和研究。

在中國科學(xué)院“高端軸承自主可控制造”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下，中國科學(xué)院金屬研究所材料腐蝕與防護(hù)中心王儉秋團(tuán)隊(duì)對于軸承鋼在模擬服役環(huán)境中表面損傷與制造工藝關(guān)系開展了系統(tǒng)研究。近期，吳迪項(xiàng)目研究員（通訊作者）和博士研究生夏卓凡（第一作者）等人，在前期重載滾動接觸疲勞失效機(jī)制研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了不同粗糙度等級的初始表面加工工藝，通過推力盤式滾動接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)高粗度表面深磨痕處的倒伏形貌可以作為表面裂紋的前驅(qū)體，伴隨形成的機(jī)加納米晶層中存在的大量微裂紋，促進(jìn)疲勞裂紋前期擴(kuò)展（圖1）。通過降低粗糙度，更重要的是同時去除機(jī)加工納米晶層，可以使得滾動接觸疲勞壽命有著數(shù)倍乃至于數(shù)量級式的提高（圖2），而且這種對于加工工藝的調(diào)控所需要的成本較低，對提高軸承的使用壽命與穩(wěn)定性具有重要意義。

此外，不同于以往認(rèn)為重載、低粗糙度條件下失效為亞表層引發(fā)剝落的觀點(diǎn)，本研究發(fā)現(xiàn)了一種新的失效機(jī)制，即重載、低粗糙度表面條件下，表面萌生裂紋逐級擴(kuò)展形成達(dá)至亞表層深度的剝落，其主要依賴于表面凹痕產(chǎn)生的劇烈塑性變形，同時還有軸承鋼在超高服役周次（10⁸）下表面形成的微塑性變形，增加了表面應(yīng)力集中和接觸表面間摩擦（圖3）。這為發(fā)展重載工況下具有超高滾動接觸疲勞壽命的高端軸承，提供了一種新的表面處理設(shè)計(jì)思路。 

相關(guān)研究結(jié)果近日以“Rolling contact fatigue failure mechanism of bearing steel on different surface roughness levels under heavy load”為題發(fā)表于International Journal of Fatigue 179（2024）108042。