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風(fēng)電齒輪箱軸承白蝕裂紋失效全面
評述:主要因素及試驗研究
[西班牙] Fernando José Lopez-Urunuela等
1 引言
本文評述的失效模式出現(xiàn)在可再生能源領(lǐng)域，尤其是近20年快速發(fā)展的風(fēng)能領(lǐng)域
。海上風(fēng)電是未來低碳發(fā)電最具前景的可持續(xù)能源風(fēng)電齒輪箱軸承出現(xiàn)不同的失效模式
。根據(jù)文獻[5]，齒輪箱軸承出現(xiàn)以下失效模式:裂紋及斷裂、磨損、塑性變形圖1 文獻[7]提出的WEC應(yīng)力形成模型示意圖
關(guān)于WEC的形成機制,不同研究者之間并未達成一致意見,這種現(xiàn)象的顯微組織表征似乎也不清晰。WEC被定義為一組由變化的顯微組織圍繞的裂紋網(wǎng)(圖2),當(dāng)受影響的區(qū)域用2%硝酸酒精溶液腐蝕后可揭示出WEA的形貌
圖2 在瞬變工況下試驗的試樣上平行于接觸面的次表面裂紋萌生及WEC的形成,示意地再現(xiàn)了滾動軸承中WEC的形成
自20世紀(jì)90年代以來,WEC一直是摩擦學(xué)、潤滑劑及軸承制造團體討論的話題
本文目的是對過去幾年里WEC的研究進行概述,除對與WEC現(xiàn)象相關(guān)的主要概念進行一般性的綜述外,還將對該領(lǐng)域開展進一步研究的計劃及實施提供幫助。為此,本文分為:第2章表述以前研究中所用的形成WEC的方法 2 WEC起源模式 在討論該話題前，應(yīng)注意WEC起源模式取決于過程中涉及的因素 WEC起源可劃分為表面或次表面過程 基于近年來的研究結(jié)果,次表面起源理論更受關(guān)注,包括所進行的實驗室規(guī)模研究以及對工作一段時間后失效的風(fēng)電軸承所進行的分析。在這種情況下已確定鋼的缺陷(NMI 文獻[30]提出一個有趣的次表面起源模型,其基于氫和Hertz應(yīng)力的影響(在鋼的次表面存在明顯的NMI) 圖3 文獻[30]提出的WEC起源模式示意圖。氫擴散區(qū)與高切應(yīng)力區(qū)重疊有利于次表面裂紋的形成 廣泛討論的與次表面起源模式有關(guān)的概念是WEC形成與裂紋的先后順序 概括起來,有2種WEC起源模式:表面及次表面,起源模式取決于每種情形中的驅(qū)動因素。與表面變化(粗的表面粗糙度、不良機加工 3 顯微組織變化 3.1 WEA 由于對這一主題開展了大量研究,近年來對WEA的起源及形成的了解似乎已向前邁出了一步,但就這一現(xiàn)象而言還未達成一致的結(jié)論 有趣的是注意到WEC形成機制的獨立性,在所有科技文獻中一種鋼(本綜述聚焦于常用軸承材料SAE 52100)的WEA結(jié)構(gòu)特征相同 由裂紋面摩擦形成WEA的機制A得到多個研究的證實。文獻[47]和[51]指出:滾/滑接觸過程中,預(yù)先存在的裂紋面相互摩擦撞擊,產(chǎn)生非常細小的晶粒,WEA被認(rèn)為是由于實際損傷(裂紋 有爭議的是裂紋面摩擦可否提供足以產(chǎn)生納米晶結(jié)構(gòu)及非晶相所需的能量。根據(jù)Yuri Kadin的研究,非晶化過程在能量上是可行的,在該研究中假設(shè)WEA形成前就存在裂紋,其給出了通過模擬Ⅱ型裂紋中由循環(huán)剪切和壓縮引起的裂紋面上的摩擦相互作用而進行的WEA形成的理論研究 文獻[11]發(fā)現(xiàn)與WEC形成相關(guān)的NMI的共同之處 眾所周知,滑動接觸有利于WEA的形成 試驗應(yīng)力循環(huán)積累產(chǎn)生的WEA體積支持WEA形成機制A。文獻[38]指出:WEA體積隨循環(huán)次數(shù)增加而增大,試樣經(jīng)受的載荷循環(huán)越長,裂紋生長得越多,產(chǎn)生新的裂紋面,因而導(dǎo)致更多的顯微組織變化區(qū) 最近的大量研究證實了WEA形成機制B,即一旦形成顯微組織變化區(qū)就可能產(chǎn)生裂紋。普遍認(rèn)為:與附加載荷(諸如局部高溫或原子氫的存在)疊加的局部高機械應(yīng)力是WEA形成的根本原因 文獻[54]描述了WEA內(nèi)碳化物的退變,這一現(xiàn)象本質(zhì)上是由于碳化物析出物的變形及溶解。該研究支持這樣的假設(shè):WEC過程通過結(jié)構(gòu)畸變的持續(xù)積累而起始于無失效期,因此WEC既與鋼中NMI無關(guān),也與其他雜質(zhì)無關(guān) 在文獻[38]所進行的研究中提出了反對WEA形成機制A的2個事實。首先,欲將晶粒細化到納米級別,需要足夠的能量產(chǎn)生位錯簇,且需要額外的能量溶解大量的碳化物;其次,摩擦裂紋面可能不足以產(chǎn)生形成WEA所需的能量,因為部分能量以形成磨屑的形式耗散掉 在文獻[38]之后,文獻[48]強調(diào):在WEA中存在高含量的奧氏體;根據(jù)文獻[48]的研究結(jié)果,轉(zhuǎn)變及非晶化似乎發(fā)生在顯微組織變化區(qū)(WEA) 但也有例外,WEA并不完全符合以上給出的解釋,并非在所有研究中均觀測到文獻[48]所提及的WEA中奧氏體增加。文獻[41]發(fā)現(xiàn):與原始基體相比,WEA中奧氏體減少 1)環(huán)境中存在氫 2)鋼基體的原始顯微組織 因而,大多數(shù)的研究報道:WEA的產(chǎn)生是由于裂紋面的摩擦,這意味著將顯微組織變化的形成理解為一種次表面失效模式(微裂紋形成)的結(jié)果,而不是失效本身 3.2 與WEC不同及相近的顯微組織變化:DER,WEB及蝴蝶組織 有一些與WEC類似的特殊顯微組織變化,因而在分析鑒別機械零件發(fā)生了哪種現(xiàn)象時會引起混淆,尤其是對滾動接觸中誘發(fā)的那些顯微組織變化,如暗蝕區(qū)(DER) 圖4 蝴蝶組織特征 3.2.1 DER 當(dāng)材料在RCF狀態(tài)下經(jīng)受中-高次應(yīng)力循環(huán)時,在最大Hertz切應(yīng)力區(qū)將發(fā)生顯微組織變化,典型的深度為接觸面下1 mm 3.2.2 WEB 在預(yù)先存在的顯微組織變化中,DER相同深度處(最大切應(yīng)力區(qū))產(chǎn)生WEB,其出現(xiàn)于DER之后,因而在經(jīng)受非常高的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)或重載RCF狀態(tài)下產(chǎn)生?div id="jfovm50" class="index-wrap">？砂l(fā)現(xiàn)2種WEB(圖5)。與表面呈低角度(30°)存在的WEB稱之為平白帶(FWB)或低角度帶(LAB) 圖5 RCF試驗后滾子的周向截面(2%硝酸溶液腐蝕)。接觸面下明顯形成了DER及WEB,出現(xiàn)了2種WEB:LAB(先出現(xiàn))及HAB 第2種WEB在FWB出現(xiàn)的區(qū)域稍后形成,與軸承滾道面呈70°～80°,如圖4所示,且稱之為高角度帶(HAB)或SWB 以前提到有2種看似WEC的不同缺陷,但事實上其與WEC完全不同 3.2.3 蝴蝶組織 鋼中起源于NMI的蝴蝶組織是三維組織變化,其名字是因為在LOM下觀察時與蝴蝶相似,呈現(xiàn)為WEA蝴蝶翼及NMI本體,如圖4所示。 由于切應(yīng)力循環(huán),在夾雜物周圍產(chǎn)生高應(yīng)力集中,導(dǎo)致材料基體與夾雜物間的界面分離或裂紋萌生 夾雜物周圍產(chǎn)生拉壓應(yīng)力,拉應(yīng)力導(dǎo)致裂紋萌生(Ⅰ型載荷,依據(jù)裂紋位移模式理論),切應(yīng)力將有利于裂紋擴展(Ⅱ型載荷)。例如MnS夾雜物比鋼基體軟,當(dāng)鋼材在高溫下軋制時,這些夾雜物呈長條狀,引起各向異性,因此材料在各方向的響應(yīng)并不相同 蝴蝶組織在RCF早期階段出現(xiàn)在距軸承滾道面0.05～1.5 mm深度處;但隨著進一步的RCF循環(huán),若該深度范圍內(nèi)無夾雜物時,蝴蝶組織可在較深處出現(xiàn)。由于最大切應(yīng)力作用在與滾道面呈±45°的方向上,所以典型的蝴蝶翼擴展角為相對于滾道面呈30°～50° 形成蝴蝶組織的主要夾雜物為硫化物 蝴蝶組織中WEA的形成機制還未充分了解,但文獻中提出了2種機制:一種是先形成裂紋,然后裂紋面摩擦形成WEA;另一種是由于切應(yīng)力循環(huán)誘發(fā)的局部塑性變形而產(chǎn)生WEA,之后形成裂紋。 因為蝴蝶組織三維發(fā)展,要了解和分析這種缺陷需要不同截面的分析 4 WEC驅(qū)動因素 本節(jié)收集了文獻中提出的WEC形成的主驅(qū)動因素,根據(jù)其來源或特征可分為3組 4.1 氫 4.1.1 鋼的氫脆 過去這些年里,氫被認(rèn)為是WEC形成的主驅(qū)動因素。根據(jù)最新的研究,有關(guān)氫在WEC形成中的作用的理念似乎也在變化 仍有爭議的是氫脆加速WEC形成的模式,在解釋氫對鋼的力學(xué)性能的危害時主要有3種理論:氫增強脫粘(HEDE);氫增強局部塑性(HELP);氫增強應(yīng)變誘發(fā)空洞(HESIV) 因為氫是雙原子分子氣體,太大而不能進入鋼,需分解為2個原子。氫擴散的驅(qū)動因素是由晶格中的氫濃度差 氫原子可殘留在鋼晶格網(wǎng)的間隙中 4.1.2 潤滑劑及氫對WEC形成的影響 擴散到鋼中的氫可能來自于制造過程,也可能來自于運行或試驗期間存在的潤滑劑和水 在聚焦于WEC形成及擴展的研究中,可區(qū)分為強制氫擴散機制(在摩擦試驗前人為預(yù)充氫)與試驗期間擴散機制 文獻[75]選擇2種油在銷-盤(PoD)摩擦試驗機上進行試驗來研究WEC的形成 難以區(qū)分潤滑劑和氫對WEC形成的影響 潤滑劑的添加劑似乎對氫的擴散起著關(guān)鍵作用 圖6 (a)文獻[20]所試驗的每種油失效前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù);(b)每種油配方中的含水量 有關(guān)在某些添加劑影響下促進氫擴散的另一個假設(shè)存在于摩擦膜的形成。文獻[18-19]在帶有隔層成像儀的小型拖動試驗機(MTM-SLIM)上進行試驗顯示:使用所謂的WEC危險油,產(chǎn)生厚的摩擦膜,帶來高的摩擦因數(shù);文獻[20]支持這一假設(shè),即某些引起高摩擦因數(shù)的摩擦膜有利于WEC的形成 某些研究強調(diào)了促進氫擴散并間接促進WEC產(chǎn)生所需的摩擦能。最近的研究發(fā)現(xiàn):行星軸承在非承載期間經(jīng)受顯著的滑動,因此使用純滑動條件再現(xiàn)風(fēng)電齒輪箱中發(fā)生的實際接觸狀態(tài) 因而,根據(jù)文獻可知,似乎軸承的純滑動或高滑動百分比工況有利于在滾子或套圈的某些區(qū)域形成WEC 4.2 非金屬夾雜物(NMI) 最近的研究認(rèn)同:煉鋼過程的副產(chǎn)品NMI是裂紋萌生的主要部位之一,因而也是WEC的主驅(qū)動因素之一 使用鋼的潔凈度概念來表示單位體積內(nèi)夾雜物的數(shù)量 WEC的形成不僅受夾雜物數(shù)量的影響,還受其尺寸及形態(tài)的影響 與WEC形成直接相關(guān)的夾雜物處于接觸面下100～300 μm的深度范圍內(nèi),該值對應(yīng)于最大切應(yīng)力所處的深度 關(guān)于夾雜物及顯微組織變化區(qū)形成方面,近幾年研究最多的現(xiàn)象是軸承鋼中脫粘夾雜物的不利作用 根據(jù)這些研究,似乎清楚了NMI與WEC形成的關(guān)系 4.3 殘余電流 由于電動交通及風(fēng)能行業(yè)的快速發(fā)展,近年來對放電引起的軸承損傷進行了廣泛的研究 電引起軸承失效的根源在于軸電壓及通過軸承的電流 當(dāng)殘余電流通過軸承時,有通過發(fā)生不同電蝕現(xiàn)象(如振紋、發(fā)烏 雜散電流對潤滑劑有負面作用,會增強WEC的形成 與電流會誘發(fā)WEC失效的假設(shè)相反,文獻[102]使用低黏度等級的標(biāo)準(zhǔn)合成齒輪油在混合摩擦狀態(tài)下進行了圓柱滾子軸承試驗,發(fā)現(xiàn):在小的直流電流(25及600 μA)下未檢測到因軸向裂紋或微剝落引起的早期失效,但檢測到因混合潤滑引起的磨粒磨損,因此電流的通過似乎并不總涉及WEC的形成 就應(yīng)對這一現(xiàn)象提出的解決方案而言,其中之一是改善潤滑劑導(dǎo)電性 4.4 瞬變工況:滑動接觸 風(fēng)電中間軸及高速軸軸承經(jīng)受苛刻的工況,導(dǎo)致不利的摩擦接觸 關(guān)于WEC產(chǎn)生達成的少數(shù)一致意見之一涉及法向載荷(接觸應(yīng)力)的影響,無數(shù)研究顯示:大的載荷不是產(chǎn)生WEC的必要條件 瞬變及沖擊工況對潤滑產(chǎn)生不利影響。在不同速度和載荷的不同階段工作的齒輪箱中使用了一種單一潤滑劑,中間軸及主軸的低速使合適的摩擦膜難以形成;相似地,緊急停機或開關(guān)機導(dǎo)致潤滑不足 如前所述,在瞬變及沖擊工況下風(fēng)電軸承滑動是主要后果之一 圖7 顯示出正負滑動的推力圓柱滾子軸承的接觸區(qū),表述了Heathcote現(xiàn)象 另外,為了建立接觸區(qū)產(chǎn)生的滑動與WEC形成的關(guān)系,進行了許多嘗試 圖8 正負滑動區(qū)產(chǎn)生的應(yīng)力的分解圖表 WEC的形成似乎與滑動 4.5 風(fēng)電軸的波紋度 假如一套軸承與帶波紋度的軸配合,其會適應(yīng)軸的形狀,因而會因不合適的配合在內(nèi)圈上產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力分布 4.6 溫度 溫度本身不能產(chǎn)生WEC,但其具有激活或失活其他WEC驅(qū)動因素(主要是化學(xué)驅(qū)動因素,如潤滑膜厚度 5 研究WEC失效的試驗程序 再現(xiàn)風(fēng)電齒輪箱軸承的真實工況是困難且花費大的任務(wù) 5.1 摩擦儀及試驗機結(jié)構(gòu) 5.1.1 PoD 銷-盤摩擦儀結(jié)構(gòu)廣泛用于研究靜態(tài)加載條件下材料相互滑動時的摩擦和磨損。文獻[115]使用改進的PoD摩擦儀(圖9)來形成WEC,其用動載荷代替靜載荷,試驗機加載臂中心點可繞樞軸轉(zhuǎn)動,兩端分別與球試樣和循環(huán)加載機構(gòu)連接 圖9 改進的動載荷PoD摩擦儀示意圖 在文獻[115]中,WEA產(chǎn)生于次表面,且發(fā)現(xiàn):采用產(chǎn)氫多的潤滑劑潤滑條件下,PoD的純滑動作用以及循環(huán)壓應(yīng)力和切應(yīng)力加速WEA形成,其發(fā)生于早期報道的總接觸循環(huán)次數(shù)的1/10以內(nèi) 同一研究小組進行了另外一個試驗,使用相同的試驗機了解載荷頻率及產(chǎn)氫對WEC的影響 Manieri等使用正常布局的PoD試驗機來模擬裂紋面的摩擦,以研究通過這種機制形成WEC的可行性 5.1.2 MPR 英國PCS公司生產(chǎn)的微剝落試驗機作為商用MPR是最近所用的產(chǎn)生WEC的試驗機之一,其由R.Graham等通過一系列研究程序開發(fā),該試驗機利用了三環(huán)-滾子接觸布局,如圖10所示 圖10 帶有加載系統(tǒng)及油槽的MPR示意圖 使用2支熱電偶測量潤滑劑溫度:其中一支測量油槽內(nèi)溫度,另一支測量靠近接觸區(qū)的溫度。使用一壓電加速度計測量運行時接觸區(qū)的振動,一旦達到某個限值則自動停止試驗 圍繞WEC驅(qū)動因素的爭議清楚地反映在使用MPR所進行的研究中 近年來也發(fā)展了與摩擦能積累概念相關(guān)的理論,這些理論建立了摩擦能與WEC產(chǎn)生的緊密關(guān)系(見4.4節(jié)) 建立WEC形成與摩擦能聯(lián)系的更多理論也被文獻[7]否定,Manieri等從數(shù)值角度解釋了否定這些理論的理由,即最近作為WEC是否發(fā)生的判據(jù)而提出的摩擦能或摩擦功參數(shù)不能預(yù)測其研究中的試驗觀測結(jié)果 MPR研究最多的因素之一是潤滑劑對WEC的影響 回顧迄今得到的所有結(jié)果,仍不清楚潤滑劑究竟有什么樣的影響 與MPR試驗及WEC產(chǎn)生有關(guān)的另一個公開的爭議是接觸幾何的影響。根據(jù)文獻[7],線接觸幾何會在運行開始階段在材料中引發(fā)某種應(yīng)力過程,導(dǎo)致在這一時間段形成WEC 盡管仍有未解開的矛盾,本文以及文獻[20]的作者認(rèn)同Menieri等的觀點:由于接觸幾何在鋼中誘發(fā)的應(yīng)力過程是可導(dǎo)致WEC失效模式的因素,不管采用什么樣的潤滑劑 鋼的顯微組織對WEC的影響是MPR研究的另一方面 以下僅為使用MPR研究WEC的另外2個實例 5.1.3 盤-盤 盤-盤試驗也稱之為雙盤試驗,由分別安裝在兩單獨軸上的滾輪組成,兩根軸由不同的電動機驅(qū)動,以設(shè)置特定的SRR,在法向載荷作用下兩滾輪發(fā)生接觸 可使用不同類型的試樣進行RCF試驗。一個好的實例是由Arnaud等進行的研究,該試驗中接觸輪廓 在迄今所發(fā)表的科技文獻中給出了數(shù)個使用不同雙盤配置的實例。其中之一是Oezel等用ZF型改進滾動接觸疲勞試驗機進行的研究,該試驗由3個放置在試樣周圍的從動滾輪構(gòu)成,試樣安裝在驅(qū)動軸上;通過一個連接在懸臂上的液壓活塞施加徑向載荷 為研究氫對WEC的影響,一般使用預(yù)充氫程序來誘發(fā)試樣的脆性后進行試驗?div id="4qifd00" class="flower right"> 丹麥理工大學(xué)機械工程系的研究人員使用了如圖11所示的試驗機 像本節(jié)的第一個實例,通過將試樣浸泡在50 ℃的硫氰酸銨水溶液中48 h對其預(yù)充氫。一旦充氫完畢,就將其安裝在軸上,且試樣由于過大的脆性而斷裂 雙盤試驗另一個好的實例是Guzmaon等進行的研究 ；第3章給出疲勞過程中出現(xiàn)的不同顯微組織變化；第4章是本文的核心,也是內(nèi)容最多的一章,因而分成幾節(jié),每節(jié)討論一種促進WEC形成的因素 ；第5章論述聚焦于WEC研究所用的主要試驗程序；第6章是關(guān)于熱處理及涂層(黑色氧化及類金剛石碳)對WSF產(chǎn)生或防止的影響；第7章給出主要結(jié)論及應(yīng)進一步開展的工作。
。在文獻報道的及在實驗室為產(chǎn)生WEC所進行的試驗中，測試了不同的驅(qū)動因素(氫、電流通過、粗的表面粗糙度等),這些因素決定了裂紋的起源模式以及構(gòu)成WEC的顯微組織變化。因此,為了解風(fēng)電軸承中與WEC相關(guān)的失效原因,有必要精確選擇實際應(yīng)用中這些失效起源過程所牽涉的驅(qū)動因素。Ruellan等指出在預(yù)充氫和非充氫試樣中WEC的起源存在主要差別。對于第1種情況,已證實WEC容易形成且很可能發(fā)生于次表面的最大切應(yīng)力區(qū)。由于氫脆,裂紋起源于材料的最弱處。根據(jù)2種主要假設(shè),氫有利于:1)夾雜物與基體分離;2)缺陷周圍的局部塑性變形。對于非充氫試樣,WEC的形成花費更長的時間(即更多的疲勞循環(huán)次數(shù)),且不會發(fā)生在最大切應(yīng)力深度處,而是接觸區(qū)的邊緣。在Evan的WEC綜述中強調(diào)了鋼種及疲勞過程對WEC起源模式的影響。
、引起電蝕的放電而產(chǎn)生的微蝕坑。文獻[8]描述了2種表面起源的情況:1)由導(dǎo)致表面微裂紋的切應(yīng)力而產(chǎn)生的起源;2)受作用在表面特殊區(qū)域的周向拉應(yīng)力影響而產(chǎn)生的起源,當(dāng)套圈與存在形狀偏差的軸配合時會產(chǎn)生這類應(yīng)力,套圈發(fā)生變形導(dǎo)致出現(xiàn)承受高周向應(yīng)力的區(qū)域 。在這2種情況下很可能受氫的影響。產(chǎn)生新鮮表面后,氫會發(fā)生反應(yīng)并擴散到鋼中,從而有利于裂紋的生長(見4.1節(jié)) 。
、空洞 、微裂紋)為主要的失效起源點,這些缺陷充當(dāng)應(yīng)力集中部位,因缺陷邊緣產(chǎn)生高于該深度處計算出的應(yīng)力峰值。鋼基體中存在這些缺陷時還應(yīng)考慮Tresca切應(yīng)力τ45的影響,τ45在次表面區(qū)域達到最大值 。有關(guān)NMI對WEC產(chǎn)生的影響的詳細研究見3.1節(jié) 。
。根據(jù)圖3,該模型提出:在次表面的某個區(qū)域,一個最大的氫擴散區(qū)與最大Hertz應(yīng)力區(qū)重疊,其有利于次表面裂紋的形成。該研究指出:滾動體與滾道間接觸區(qū)尺寸顯著影響氫擴散,接觸區(qū)越大,接觸區(qū)外的自由表面越小,越有利于鋼基體中氫的高度集中。
。裂紋面摩擦所耗散的能量部分轉(zhuǎn)化為熱量,部分轉(zhuǎn)化為顯微組織變化(對應(yīng)的是非常大的位錯密度積累),這一過程強化了非晶化過程。
。根據(jù)文獻[55],在大的塑性變形下非晶相的形成是剪切驅(qū)動固態(tài)非晶化過程;通過缺陷(如空洞、晶界、位錯)的積累,晶粒被細化到納米尺度。當(dāng)晶粒細化到臨界尺寸(3 nm或5 nm)時,晶體突然轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷唷?/p>
。WEA中的奧氏體含量高于原始鋼基體(從2%～3%至30%)表明:發(fā)生了馬氏體向奧氏體的轉(zhuǎn)變,其受變形誘發(fā)機制控制。根據(jù)文獻[48],文獻[57-58]所支持的熱誘發(fā)相變可排除在外。當(dāng)晶體相儲存的能量超過非晶相時就會發(fā)生非晶化。在劇烈塑性變形的情況下,非晶化受變形驅(qū)動機制控制;大的塑性變形在晶體結(jié)構(gòu)材料中產(chǎn)生空洞、位錯及晶界;晶界的面積百分比越高,系統(tǒng)中可用的自由能越多。
。相似地,也并非所有研究中都存在相同的非晶相。一些作者提到:存在的非晶相不同于在文獻[60]中發(fā)現(xiàn)的。然而,文獻[41]和[60]證實:裂紋的形成發(fā)生于非晶相與納米晶體相之間;因而,WEA顯微組織取決于影響顯微組織變化區(qū)形成的外部因素。大部分論述WEA的文獻提出以下2個方面作為WEA形成的最重要因素:
。在進行RCF試驗后,采用先進的表征工具分析了WEM形成期間碳的再分配,發(fā)現(xiàn):無碳化物納米貝氏體中的白蝕蝴蝶翼與無碳化物貝氏體鋼軌中的WEC分別比周圍基體軟約10%及48%。蝴蝶WEM硬度下降較少歸之于其碳的損耗,而鋼軌WEM硬度下降較多是由于該區(qū)域內(nèi)存在細的殘余奧氏體晶粒以及碳的損耗。與之相反,對于淬回火馬氏體鋼,RCF導(dǎo)致滲碳體的溶解,產(chǎn)生比原始基體硬的WEM。
。另外,也指出:WEA形成過程中涉及的驅(qū)動因素不同將產(chǎn)生具有不同性能及形貌的顯微組織變化。
、白蝕帶(WEB)及蝴蝶組織。DER及WEB組織變化是材料經(jīng)受高次應(yīng)力循環(huán)后在其次表面產(chǎn)生,因此不會引起早期失效。然而,蝴蝶組織由夾雜物和WEA構(gòu)成(圖4),因而認(rèn)為其是應(yīng)力集中點,該處有可能萌生裂紋。蝴蝶組織與WEC的形成及擴展密切相關(guān)。4.2節(jié)將深入討論NMI對WEC形成的影響;為了有利于將每種顯微組織變化合適分類,下面將全面討論這些概念。
。這些變形區(qū)域被稱為DER是因為經(jīng)硝酸溶液腐蝕后在光學(xué)顯微鏡(LOM)下觀察時其呈暗色。循環(huán)次數(shù)的增加意味著DER的尺寸更大。回火馬氏體中積累的塑性變形越大,這些區(qū)域就越暗。DER是WEB形成前首先發(fā)生的組織變化,由一些與軸承滾道面無任何特殊取向的暗色微帶組成,且因碳向由微塑性應(yīng)變產(chǎn)生的位錯區(qū)遷移而將其表征為回火馬氏體。因此,這種塑性變形導(dǎo)致材料軟化(與基體組織相比)。
。根據(jù)一些研究,FWB會進一步發(fā)展為更厚且更長的陡白帶(SWB)。LAB可用LOM觀測到,因為其細的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出高耐蝕性 。LAB較薄(0.1 μm)且相對較長(1～2μm),其顯微組織由被誘發(fā)片狀碳化物的形成而規(guī)則分開的低碳微細鐵素體相組成,比基體軟。重要的一點是需將其與碳飽和的硬WEA區(qū)分開來 。
。HAB比LAB厚(15 μm) 。
。
。因為基體與夾雜物的熱膨脹系數(shù)、形狀或彈性模量的顯著差異,切應(yīng)力促使界面分離并在材料缺陷處萌生裂紋。
。
。
、氧化物(Al2O3)或二者形成的兩相夾雜物,其來自于材料的制造過程,在每種軸承合金鋼中的量不同。由于煉鋼過程最佳化的高成本,要避免夾雜物的出現(xiàn)實屬不易。
。事實上,僅在一個截面上分析蝴蝶組織可能會將其判別為WEC的形成。因此,重要的是要區(qū)分WEC的形成(裂紋和WEA)與蝴蝶翼(總與NMI有關(guān))的差異。另外,也要將2種蝴蝶組織加以區(qū)分:一種是不會顯著擴展而引起失效;另一種是在材料中擴展形成裂紋并以形成WEC而結(jié)束。
。第1組對應(yīng)的是與潤滑有關(guān)的因素,如潤滑劑中的氫及添加劑;第2組指材料,尤其是鋼中的NMI;第3組指與工況或外部因素有關(guān)的驅(qū)動因素,如殘余電流、瞬變工況、滑動接觸、高溫或軸承與軸的不良配合 。
。氫不再被認(rèn)為是WEC形成的主驅(qū)動因素,而是過程加速因素。為了再現(xiàn)WEC失效,不一定要人為預(yù)充氫,文獻[11]和[22-23],[26],[75]已證實:不采用預(yù)充氫試樣也可產(chǎn)生WEA 。無論如何,應(yīng)注意:不對試樣進行人為預(yù)充氫并不意味著氫沒有機會擴散到材料中,因為眾所周知在特殊工況下某些潤滑劑會降解并產(chǎn)生原子氫。
。然而,根據(jù)一些研究,WEC的形成并未遵循這些模式的任何一種,氫脆無法充分解釋氫在軸承鋼中的作用,取而代之的是氫的作用似乎是這些模式的組合。一般的解釋是鋼中的氫有利于裂紋尖端的局部塑性,進而增強滑移變形,并因此降低裂紋生長及擴展的I/II型應(yīng)力門檻值 。
、電場、應(yīng)力場 、溫度梯度產(chǎn)生的化學(xué)勢能梯度,氫從化學(xué)勢能最高的區(qū)域向最低的區(qū)域擴散,直至2個區(qū)域的化學(xué)勢能相等為止。擴散流量與氫濃度梯度和擴散系數(shù)的積成正比 。
。無論如何,有一些部位比間隙更有利于氫的積累 。這些部位就是材料缺陷,一般稱之為阱 。材料中存在的阱越多,鋼中的氫溶解度越大。一旦氫進入鋼,其能以2種形式存在:可移動(可擴散)的氫及不可移動(非擴散)的氫 。可移動的氫指保持移動性的氫,是被捕獲在弱可逆阱中的氫;相反,不可移動的氫指被捕獲在不可逆阱中的氫。Pressouyre將阱分為:物理阱、吸引阱或混合阱。吸引阱是原子被力作用的晶格區(qū)域,這些力包括電力、溫度梯度產(chǎn)生的力、與應(yīng)力場有關(guān)的力;物理阱是晶格缺陷,諸如晶界、夾雜物與基體間的非共格界面或空洞;大多數(shù)的阱應(yīng)稱為混合阱,因為所有缺陷(空洞、夾雜物、位錯等)會以某種方式誘發(fā)電場或應(yīng)力場。每個阱有不同的稱呼,取決于阱的吸引特性。一個好的混合阱的例子是邊界位錯。
？茖W(xué)界對試驗期間氫的來源似乎已達成共識。已觀察到:存在新鮮金屬表面(非鈍化表面)時潤滑劑會發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng),釋放氫。文獻[76]指出:通過與新鮮金屬表面的觸媒反應(yīng),潤滑劑發(fā)生分解并產(chǎn)生氫。新鮮金屬表面具有化學(xué)活性并對有機物產(chǎn)生觸媒效應(yīng),因此加速了有機物的分解反應(yīng),并發(fā)生脫氫。每種潤滑劑產(chǎn)生的氫量取決于其潤滑性,而不是其化學(xué)結(jié)構(gòu);也已證實:誘發(fā)更大磨損的潤滑劑意味著擴散到鋼中的氫更多。文獻[23]指出:試驗期間潤滑劑會發(fā)生氧化反應(yīng),產(chǎn)生諸如羧酸 、乙醚 、酯類的產(chǎn)物,羧酸與新鮮金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成鐵的羧酸鹽及氫 。
。關(guān)于進行氫強制擴散的試驗,結(jié)果顯示:預(yù)充氫量越多,產(chǎn)生WEC所需的循環(huán)次數(shù)越少;然而,在未人工預(yù)充氫的研究中,在試驗期間發(fā)生來自于潤滑劑的氫向鋼中擴散是由于幾種化學(xué)及力學(xué)現(xiàn)象的作用。當(dāng)試圖了解齒輪箱軸承中所發(fā)生的一切時,這些試驗似乎更有趣 。擴散機制受幾種現(xiàn)象影響,如潤滑劑的添加劑、摩擦膜的形成(與添加劑有關(guān))、潤滑狀態(tài)或滑動接觸。最感興趣的是影響氫擴散的所有因素均與WEC的形成密切相關(guān)。另外,值得注意的是:深入了解單個驅(qū)動因素及其綜合作用是解決軸承WEC問題的關(guān)鍵。
。Gould等進行的研究似乎對所討論的問題有所啟迪,該研究的目的是區(qū)分以前研究中所用的稱之為低標(biāo)油的油中存在的每種添加劑的影響。進行了一系列試驗,每種潤滑劑采用其中一種添加劑調(diào)配,試驗在微剝落試驗機(MPR)上進行,也使用了小型拖動試驗機半原位研究摩擦膜特征,研究結(jié)果如圖6所示。考慮到這些結(jié)果及所表達的內(nèi)容,可認(rèn)為:添加劑含量越高,則水含量越高。與此不同,文獻[33]和[87]進行的另外研究指出:較高的含水量是WEC形成的關(guān)鍵因素,且在這種情況下含水量與早期WEC的形成沒有任何關(guān)系。應(yīng)注意:潤滑劑(僅含ZDDP)未顯示出高含水量這一事實并不意味著不會產(chǎn)生氫且因此促進WEC的形成。例如文獻[21]對在僅含ZDDP(無OBCaSul)的潤滑劑潤滑條件下試驗后的試樣進行熱脫吸分析,發(fā)現(xiàn)其氫含量高于未試驗試樣。
。
。并未充分了解為什么有些研究發(fā)現(xiàn)滾動體的失效比率較高,而在另一些研究中套圈的失效比率較高。這可用2種零件用鋼的潔凈度不同來解釋,因為潔凈度越低,夾雜物的數(shù)量越多,因而捕獲氫的概率越高,應(yīng)力集中部位越多。同時,潤滑劑及氫對WEC的加速作用似乎是清楚的。為了了解不同驅(qū)動因素之間的聯(lián)系,有必要進行研究,將添加劑(如ZDDP或CaS)與試驗后的試樣中被捕獲的氫量及WEC的形成聯(lián)系起來。
。另外,因為其不均勻地分布在整個材料基體中,也促進了裂紋擴展。裂紋通過擴展阻力最小的區(qū)域擴展;裂紋起源模式由I型斷裂模式主導(dǎo),而擴展階段受II 及III型斷裂模式主導(dǎo)。根據(jù)迄今最受支持的理論,裂紋起源于缺陷處(夾雜物或空洞),然后生長,并由于裂紋面的摩擦形成WEC。
。根據(jù)文獻[11],鋼的潔凈度可能是決定是否形成次表面裂紋的關(guān)鍵因素。該研究中用FAG-FE8試驗機試驗了推力圓柱滾子軸承。結(jié)果表明:僅在滾子上形成了WEC,而未在套圈上觀察到任何次表面缺陷,這一現(xiàn)象部分歸之于套圈用鋼的潔凈度較高。不僅不同等級的鋼之間而且同一等級的鋼中單位體積內(nèi)夾雜物的數(shù)量可能不同。Gould等研究了使用現(xiàn)場的軸承與臺架試驗試樣(2種均由AISI 52100鋼制成)的顯微組織差別,聚焦于兩者用鋼中所含的夾雜物特征?div id="jfovm50" class="index-wrap">，F(xiàn)場軸承中發(fā)現(xiàn)單位體積內(nèi)夾雜物的數(shù)量為520,而臺架試驗試樣的為129。
。大量研究指出夾雜物越小,越不利于裂紋的形成。文獻[11]和[26]認(rèn)為這樣的夾雜物是球形氧化物、硫化物及兩者的復(fù)合物(尺寸2～15 μm);文獻[12]和[27]發(fā)現(xiàn):次表面失效起源的主要夾雜物是平均尺寸為20 μm的硫化錳(MnS)。與之相反,文獻[95]認(rèn)為氧化物及雙相夾雜物(氧化物+硫化物)比硫化錳危害更大的原因可解釋為:雙相夾雜物由一個軟的相(硫化物)和一個硬的相(氧化物)組成,其熱膨脹系數(shù)不同,因而在該夾雜物周圍形成拉壓應(yīng)力。根據(jù)文獻[28],即使兩者均由相同等級的軸承鋼(AISI 52100)制造,在現(xiàn)場軸承鋼中發(fā)現(xiàn)的夾雜物大于實驗室試樣的夾雜物,許多這樣的大夾雜物是實驗室試樣中未見到的雙相夾雜物。最新的科技文獻指出:風(fēng)電軸承中雙相夾雜物很常見,其似乎危害最大。在這種鋼中發(fā)現(xiàn)了硫化物及氧化物,但其似乎對WEC失效起源的影響不同。關(guān)于這點,值得注意的是Evans等對瞬變試驗齒輪箱軸承及服役的行星軸承進行了詳盡的分析。通過系列切片研究了4例WEC的形成,發(fā)現(xiàn):在所有夾雜物中顯示出與WEC相互作用強烈的夾雜物是硫化物及雙相夾雜物(硫化物+氧化物)。相反,實驗室試樣中小尺寸的硫化物占主導(dǎo),也存在較少的雙相夾雜物及氧化物。
。除其他參數(shù)外,最大切應(yīng)力深度取決于表面拖動力。根據(jù)文獻[42],當(dāng)存在表面拖動力時,最大切應(yīng)力位置向表面偏移。
。夾雜物與基體間的不良相互作用導(dǎo)致結(jié)合界面分離,成為應(yīng)力集中部位,在該部位擴散的氫保持在被捕獲狀態(tài)并充當(dāng)裂紋起源者。界面脫粘不僅產(chǎn)生于風(fēng)電軸承運行期間;在軸承鋼淬火期間,鋼基體與硫化錳夾雜物的熱膨脹系數(shù)不同會弱化夾雜物與周圍基體的結(jié)合力或可能導(dǎo)致夾雜物/鋼界面處產(chǎn)生自由表面。文獻[42]建立了脫粘夾雜物與次表面失效起源的密切關(guān)系,60%的夾雜物脫粘,即使夾雜物也呈現(xiàn)為其他類型的缺陷(微裂紋、WEA、開裂的夾雜物)。文獻[96]認(rèn)同脫粘夾雜物的不利作用,進行了有限元模擬來研究基體與夾雜物的相互作用;獲得的結(jié)果顯示:有脫粘夾雜物時應(yīng)力集中約增加167%。根據(jù)Junbiao等的研究,基體與夾雜物的脫粘程度不同,給出不同的應(yīng)力集中系數(shù)。例如完全結(jié)合的顆粒具有相對低的應(yīng)力集中系數(shù)。另外,根據(jù)夾雜物的軟硬,確立了應(yīng)力集中系數(shù)的差異。在夾雜物完全結(jié)合的情況下,軟夾雜物的周圍應(yīng)力水平較高。隨著基體與夾雜物的脫粘程度增加,缺陷周圍產(chǎn)生的應(yīng)力增加;因而疏孔代表應(yīng)力增加達到最大的極限情況。
。關(guān)于夾雜物尺寸方面,是小夾雜物危害大還是大夾雜物危害大,還未達成充分一致的認(rèn)識。無論如何,NMI的密度明顯有利于WEC起源及擴展過程。另外,鋼基體中夾雜物的狀態(tài)(即結(jié)合狀態(tài))對應(yīng)力集中具有非常顯著的影響。由于WEC的三維特征,建立NMI與失效起源的關(guān)系是復(fù)雜的工作。為了處理這點,許多研究采用了系列切片,從2D元素建立3D模型。
。在風(fēng)電行業(yè)常把這種損傷與WEC的形成聯(lián)系在一起,而其他行業(yè)還未引入這種聯(lián)系。清楚的是:電流的存在并不是形成顯微組織變化的主要原因,在很多不存在電流的情況下發(fā)現(xiàn)了顯微組織變化 。然而,不同的研究指出:通過軸承的電流的存在明顯有利于WEC的形成。
。軸電壓根據(jù)其產(chǎn)生的機理可分為3部分:磁通不對稱、靜電效應(yīng) 、逆變器感應(yīng)電壓效應(yīng) 。除此之外,通過軸承的電流可分為循環(huán)的及非循環(huán)的。關(guān)于電引起軸承失效的根源的更多信息見文獻[97] 。
、微剝落)影響軸承零件表面的風(fēng)險 。當(dāng)軸承以規(guī)則的速度運行時,振紋現(xiàn)象形成規(guī)則的花樣;然而,當(dāng)軸承以變化較大的速度運行時,表面花樣變成稱之為發(fā)烏的磨痕 。這些現(xiàn)象引起滾道及滾動體的表面損傷。在表面形成小的剝落或火山坑,觸發(fā)新鮮表面的形成。這些新鮮表面的存在是通過在潤滑劑中發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫的關(guān)鍵參數(shù)。文獻[33]指出:由于靜電放電產(chǎn)生的氫擴散到鋼中,從而產(chǎn)生WSF。根據(jù)Joerg Loos等所進行的試驗,雜散電流的來源不僅是電力驅(qū)動,還包括靜電電荷,這些靜電電荷產(chǎn)生于滾子之間、皮帶驅(qū)動中或風(fēng)電轉(zhuǎn)子內(nèi)。對球軸承及滾子軸承所進行的試驗證明:雜散電流會引起早期WEC失效,且WEC失效僅發(fā)生在與電源負極相連的軸承套圈(陰極)上。文獻[100]開發(fā)了一個數(shù)值模型,對軸承鋼中WEC的電熱起源進行假設(shè),指出:WEC的形成與電流附近導(dǎo)熱不良的碳化物周邊的良導(dǎo)熱基體被加熱而發(fā)生的熱膨脹有關(guān);由該研究給出的模型預(yù)測了碳化物的嚴(yán)重變形以及納米空洞的出現(xiàn)。迄今為止,已給出了殘余電流可能在軸承表面及次表面產(chǎn)生的損傷實例,因此這些損傷可能有利于WEC的形成。
。潤滑劑的退化、微泡效應(yīng)以及電場誘發(fā)的界面應(yīng)力(稱之為電濕性)引起潤滑劑效能降低。軸電壓及軸承電流為化學(xué)反應(yīng)提供所需的能量,加速潤滑劑的退化過程。根據(jù)文獻[33-34],在潤滑劑退化過程中,由于摩擦化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生自由氫質(zhì)子,因而增加了一個加速軸承鋼中形成WEC的關(guān)鍵因素。
。在文獻[33]中研究了一種為減小放電效應(yīng)而增加潤滑脂導(dǎo)電性的方法,將納米碳混入潤滑脂以增強穩(wěn)定油膜的形成并提高其導(dǎo)電性,避免了軸承滾動體與內(nèi)外圈之間的放電 。提出的其他應(yīng)對雜散電流的解決方案是使用氧化物涂層或混合軸承。
、滑動、振動以及不希望的潤滑狀態(tài),這些軸承受到風(fēng)對扇葉的不均勻擾動而產(chǎn)生的不穩(wěn)定力矩載荷以及緊急停車和與電網(wǎng)連接這樣的瞬變工作循環(huán) 。軸的狀態(tài)監(jiān)測顯示:中間軸可能每年經(jīng)受3 000次的連接,每次連接產(chǎn)生5次猛烈的力矩翻轉(zhuǎn)(在不到1 s內(nèi)從-800到430),結(jié)果是每年15 000次的瞬變載荷,因此在中間軸中檢測到顯著的位移,這些位移的幅值常超過制造商設(shè)置的許可值 。所有這些方面使軸承經(jīng)受大的滑動工況 。在這樣的工況下,由于滾子與滾道間接觸面積的同步減小以及拖動力的損失,低載高速狀態(tài)下的滑動值為(20～110)%SRR 。根據(jù)文獻[106],由于稱之為Heathcoat滑動的現(xiàn)象(這一現(xiàn)象將在下文詳述,且使用了術(shù)語Heathcote;概念相同但保留了每位作者使用的術(shù)語),風(fēng)電齒輪箱中間軸及高速軸軸承一直經(jīng)受(3～10)%SRR,其是軸承幾何約束的結(jié)果 。軸承中一定程度的滑動不可避免 。發(fā)生這種現(xiàn)象是因為非承載區(qū)滾子的不對中以及低的拖動力和瞬變事件,如加速 、減速 、靜止 。這些瞬變事件的另一個顯著后果是軸承經(jīng)受振動,振動主要由扇葉的轉(zhuǎn)頻 、吊艙的變形以及與發(fā)電機連接引起 。假如轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動,會發(fā)生小的振動,導(dǎo)致微動磨損 。
。相反,假如所關(guān)注的裂紋為次表面起源(如大多數(shù)文獻所指出的那樣),這一理論就沒有太多價值 。在這種情況下,產(chǎn)生的應(yīng)力值較高以及其交變特性是對負滑動區(qū)中存在較高比例的WEA的合理解釋 。對此應(yīng)額外考慮文獻[30]所提出的內(nèi)容,即負滑動區(qū)下次表面處的氫含量高于正滑動區(qū),這是由于負滑動區(qū)產(chǎn)生的摩擦能積累較高。文獻[84]支持這一事實,其證明:不存在滑動時就無氫的滲透。在以下段落中使用了摩擦能的概念,其直接與滑動比有關(guān)。
？萍嘉墨I試圖在單一模型下將這些現(xiàn)象的影響統(tǒng)一起來,以有助于預(yù)測WEC的形成。為此,Ruellan等首先提出了稱之為局部摩擦功率強度的參數(shù),其與局部接觸應(yīng)力和局部滑動速度的積成正比。隨后,Greco和 Gould提出了稱之為累計摩擦熱能的概念,其包含了滑動速度、摩擦因數(shù)、法向載荷及試驗時間。最后,Loos及Kruh?ffer提出了稱之為粗糙摩擦能積累的新參數(shù),其定義為局部粗糙度水平應(yīng)力、粗糙度水平摩擦因數(shù)、滑動速度及接觸停留時間與再產(chǎn)生接觸的時間(定義為滾動體重復(fù)通過軸承滾道面期間連續(xù)接觸循環(huán)之間的時間間隔)之比的積。盡管作者努力要開發(fā)一個預(yù)測WEC形成的可靠理論,但這些模型并不總是可靠。文獻[30]中就有一個明顯的實例:試驗結(jié)果與Greco和Gould提出的模型不匹配。文獻[30]將高應(yīng)力下的RDM試驗與FE8試驗及四球試驗進行了對比,雖然RDM試驗中摩擦能積累高于其他2種試驗,但在RDM試樣中未發(fā)現(xiàn)WEC,而另外2種試驗中形成了WEC。文獻[7]否定了以上給出的3種模型,其聲明:接觸疲勞損傷具有累積特征,而不是突發(fā)災(zāi)難特征,即裂紋的產(chǎn)生與擴展需要施加一定次數(shù)的應(yīng)力循環(huán)。似乎清楚的是:迄今為止所展示的模型本身不能提供WEC形成機制。因此,未來預(yù)測WEA形成的模型應(yīng)考慮與潤滑相關(guān)的現(xiàn)象(如氫擴散)的影響以及隨著應(yīng)力循環(huán)通過特定材料區(qū)域所經(jīng)受的應(yīng)力過程。
、裂紋萌生等不希望的現(xiàn)象。在風(fēng)電齒輪箱軸承中就已發(fā)現(xiàn)這2種事件同時發(fā)生,在該軸承內(nèi)圈上觀察到微動腐蝕帶,在相同區(qū)域的次表面發(fā)現(xiàn)WEC及滾道軸向裂紋。因而,軸承套圈中誘發(fā)的周向應(yīng)力是夾雜物處萌生次表面裂紋的危險因素。
、潤滑劑的添加劑、摩擦膜形成與磨損間的平衡或潤滑劑的吸濕與介電性能)的能力。溫度對潤滑劑的黏度具有強烈影響,因而會顯著影響摩擦膜厚度。當(dāng)潤滑劑在高濕環(huán)境下工作時可能發(fā)生水污染;若再加上高溫綜合作用,水污染就更容易發(fā)生。關(guān)于產(chǎn)氫方面,金屬-金屬接觸處產(chǎn)生的閃溫在提供水分解所需的能量方面起著關(guān)鍵作用,水分解得到氫原子,氫原子可擴散到鋼中并觸發(fā)氫脆,因此啟動WEC過程。
。另外,WEC是一種復(fù)雜現(xiàn)象,因此在實驗室規(guī)模以可控的方式再現(xiàn)并研究WEC是一種挑戰(zhàn)。因而,考慮到比例試驗通常存在的局限性,在實驗室規(guī)模使用簡化的替代方法來模擬試樣或基礎(chǔ)件中的WEC失效。迄今所進行的試驗可分為兩類:使用簡單幾何形狀試樣的摩擦儀試驗及使用實物軸承的軸承臺架試驗。摩擦儀試驗由在可控條件下再現(xiàn)摩擦接觸的基礎(chǔ)試驗組成,其優(yōu)點是可單獨再現(xiàn)及研究不同WEC驅(qū)動因素的影響,一般比滾動軸承臺架試驗便宜且快捷。在實物軸承試驗時,接觸及工況狀態(tài)更接近真實狀態(tài),但驅(qū)動因素的控制更復(fù)雜。本章論述了迄今為止在實驗室中用于產(chǎn)生WEC的主要試驗機結(jié)構(gòu)及摩擦儀,如PoD、盤-盤、MPR;另外,論述了軸承試驗機上所進行的主要試驗。每節(jié)討論了不同研究的結(jié)果。
。進行了數(shù)次試驗,其中一些試驗使用產(chǎn)氫方面比較穩(wěn)定的潤滑劑,而另一些試驗使用了有利于產(chǎn)氫的溶液;試驗中的載荷頻率為1.5～4.5 Hz。結(jié)果清楚地顯示了高的載荷頻率及產(chǎn)氫量如何加速WEC的形成。
。對于一條已存在的裂紋,裂紋面粗糙,在載荷下裂紋面被壓在一起并隨著接觸滾過裂紋而經(jīng)受相對擺動位移。因此,通過載荷下一軸承鋼試樣在另一個試樣上的小幅擺動應(yīng)該可模擬裂紋面的摩擦。試驗中使用了2種油(商品機油及PAO基潤滑油),并在無潤滑條件下進行了一次試驗,所有試驗均形成了WEA。因此,他們提出:法向載荷下AISI 52100鋼裂紋面摩擦?xí)a(chǎn)生與WEA相關(guān)的顯微組織轉(zhuǎn)變。
。直徑12 mm的滾子(試樣)每轉(zhuǎn)經(jīng)受3次接觸循環(huán),因此該試驗機能產(chǎn)生1×106 r/h以上的接觸循環(huán)。滾子與相距120°布置的3個環(huán)接觸,因此在與每個環(huán)接觸時產(chǎn)生相同的作用力;環(huán)的直徑為54 mm;使用一步進電動機和一加載臂通過上環(huán)施加載荷,系統(tǒng)可讓載荷在0～2 000 N變化;接觸應(yīng)力可變,取決于試樣接觸幾何,實際接觸應(yīng)力在4.8 GPa以內(nèi)。環(huán)及滾子由單獨的電動機驅(qū)動,因此有可能得到特定的SRR。試驗時可選擇濺油或油浴潤滑。
。
。關(guān)于哪個因素是主驅(qū)動因素,仍未有統(tǒng)一意見。因此,使用MPR研究了多種驅(qū)動因素,如潤滑劑(氫)、摩擦能積累、接觸應(yīng)力、滑動、鋼的等級或接觸幾何。
。然而,文獻[7]提出了反對意見,該文比較了由在不同試驗設(shè)備上進行的不同試驗所得到的摩擦能積累的數(shù)值,3種試驗機為FE8試驗機、四球試驗機(FBT)及MPR。在FE8及FBT試驗中形成了WEC,而在MPR試驗中未鑒別出任何顯微組織變化。與摩擦能積累模型所期望的相反,MPR試驗中的能量值高于其他2種試驗 。值得注意的是:還有一些MPR試驗(如Gould等所進行的試驗)中形成了WEC,且與FE8試驗相比具有更高的能量值 。
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。在文獻[20]中用不同的添加劑包配制了8種潤滑油來研究這些添加劑對WEC的影響。使用MPR進行試驗的條件:SRR為-30%,接觸應(yīng)力為1.9 GPa,卷吸速度為3.4 m/s,油溫為100 ℃,λ為0.5。結(jié)果顯示每種油所達到的壽命明顯不同。根據(jù)這一研究及這一特定的試驗條件,油的類型與WEC的形成有直接關(guān)系。文獻[21]研究了5種配方的油(MPR試驗),結(jié)果再次顯示出油對WEC形成的影響,尤其是僅添加ZDDP的油為危害最大的潤滑劑。文獻[21]的試驗條件:SRR為-30%,接觸應(yīng)力為1.9 GPa,卷吸速度為3.4 m/s,油溫為100 ℃,λ為0.5～0.8。文獻[7]進行了一批試驗,目的是分離潤滑劑對WEC的化學(xué)影響,因此嘗試對所有試驗設(shè)置相同的摩擦因數(shù),即將試驗移至Stribeck曲線上的同一點。用不同的油在相似的摩擦條件下進行了4次試驗,結(jié)果顯示:所有試驗均形成了WEC。因此提出:使用低標(biāo)油不是形成WEC的必要條件,且潤滑劑的化學(xué)成分不是WEC形成的關(guān)鍵影響因素。
。然而,根據(jù)文獻[7]和[20-21]所用的試驗條件可得出如下假設(shè):能解釋W(xué)EC產(chǎn)生的試驗條件的唯一差別是λ值的不同。在MPR試驗中,不論采用何種油潤滑,形成WEC時λ<0.15;而在WEC產(chǎn)生與否取決于所用潤滑劑的其他研究中,λ為0.5～0.8。因此,本文作者提議:在某些潤滑(λ<0.15的邊界潤滑)條件下,所用的潤滑劑不影響WEC形成,如文獻[7]所示的情況;然而,若潤滑條件更為有利(λ>0.5),則潤滑劑影響WEC形成,如文獻[20-21]所示的情況。
。為支持其理論,進行了4次橢圓接觸幾何試驗,試驗復(fù)制了產(chǎn)生WEC的線接觸試驗條件;沒有任何橢圓接觸試驗產(chǎn)生WEC。就像在這種失效模式研究中常見的那樣,一年后Rydel等發(fā)表了一項研究力挺潤滑劑對產(chǎn)生WEA的影響,不管采用什么樣的接觸幾何;該研究中采用不同潤滑劑試驗了2個具有橢圓接觸幾何的試樣。應(yīng)注意的是:在這種情況下,并未滿足作者以前所給出的關(guān)于λ值對產(chǎn)生WEC的影響的假設(shè)。產(chǎn)生WEC的試驗的λ值高于其他試驗。
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。文獻[72]在已知促進WEC形成的運行條件下試驗了兩類鋼:全淬硬鋼和表面滲碳鋼。根據(jù)結(jié)果,表面滲碳鋼的壽命比全淬硬鋼長2.3倍,認(rèn)為這是由于滲碳過程產(chǎn)生的試樣中殘余壓應(yīng)力及高的韌性。
。文獻[28]再次展示了鋼種對發(fā)生WEA的影響。使用AISI 52100鋼進行了一系列試驗,但某些情況下這種鋼與風(fēng)電軸承所用的鋼完全相同,而另外一些情況下使用了與制造實驗室試樣相同的鋼 。在分析這2種鋼時,發(fā)現(xiàn)夾雜物存在顯著差異(更多信息見文獻[28]) 。相似的研究分析了殘余奧氏體對WEC形成及擴展的影響(見6.1節(jié)) 。
?div id="m50uktp" class="box-center"> ？墒褂貌煌臐櫥到y(tǒng):油浴潤滑和濺油潤滑 。一般可測得摩擦因數(shù)、切向力及接觸區(qū)溫度 。試驗中所用試樣可以是機加工試樣,也可以是軸承套圈實物。在使用機加工試樣的情況下,試樣常用典型的軸承鋼100Cr6(AISI 52100)制作,殘余奧氏體含量不同;也可見使用其他鋼種,如100CrMo7或20NiCrMo7(一種滲碳鋼) 。
、夾雜物取向 、應(yīng)力狀態(tài)或試樣的粗糙度均可變化。為了模擬橢圓接觸并得到一個圓形Hertz接觸區(qū),滾輪輪廓可分別修整為半徑17.5 mm及200 mm的圓弧 。修整滾輪輪廓可影響接觸應(yīng)力,因而這種變動很重要,因為有時設(shè)備施加的載荷有限而可能成為限制因素。在同一研究中可見如何修整試樣的另一個實例,為了改變接觸區(qū)附近的應(yīng)力狀態(tài),在試樣圓周打了數(shù)個孔。
。試樣直徑為36 mm,其工作面寬度為3 mm。采用這一寬度,接觸應(yīng)力可變化至高達3 400 MPa。除此之外,軸轉(zhuǎn)速可設(shè)置為1 450 r/min,也可設(shè)置為高達3 600 r/min。不同試驗間常變化的另一個重要參數(shù)是SRR,在這里被設(shè)置為7.9%。潤滑膜厚度為1.0～1.4 μm,油溫設(shè)置為60 ℃。這些試驗中常用的停機參數(shù)是由振動傳感器測得的振動值,其設(shè)置為0.75 mm/s。
？萍嘉墨I中給出了不同的預(yù)充氫方法,Oezel 等使用 0.05 M H2SO4+1.4 g/L CH4N2S作為電解液,試樣在不同的電流(1,3,5 mA/cm2)下浸泡24 h,以得到不同的氫含量。
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