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《機械工程材料雜志》2014年第五期

1氮化硅球滾動接觸疲勞的失效機制

綜合各項研究可以得出Si3N4球典型RCF失效過程為:裂紋萌生形成表面微裂紋(主要為環形裂紋)，裂紋向球內部擴展分叉形成次表面裂紋，次表面裂紋沿著平行于球表面方向擴展，接著二次表面裂紋形成，最后次表面裂紋和二次表面裂紋分叉形成次表面裂紋網絡導致剝落失效。關于裂紋的萌生，Ichikawa等研究表明軸承球環形裂紋萌生載荷，PR比壓碎載荷PC小得多(PR≈0．2PC)。而O''''Brien等［5］和Thoma等［4］對剝落顯微形貌分析時發現了疑似裂紋起源的微孔缺陷，微孔缺陷的存在可使裂紋萌生載荷降低。關于裂紋擴展，Wang等［27－31］通過一系列研究得出:裂紋擴展并不是沿著表面原環形裂紋擴展，而是發生在次表面;裂紋擴展主要是接觸應力和潤滑應力的作用;疲勞壽命并不是簡單地由原表面裂紋決定，在疲勞剝落形成過程中起很大作用的是二次表面裂紋，但原表面裂紋的存在是二次表面裂紋形成的必要條件;原裂紋面間的磨損導致它們之間的裂口變大，使得接觸區域邊緣的最大拉伸應力增大，較高的拉伸應力導致二次表面裂紋的形成;裂紋面摩擦因數越大，二次表面裂紋就越難形成。潤滑作用可以分為潤滑壓力和附著摩擦力，Kida等［32］的研究發現在裂紋的擴展中沒有潤滑壓力的作用，而Zhao等［33］的研究發現附著摩擦力對裂紋擴展具有很重要的影響，使用產生高附著摩擦力的潤滑油會導致較早的失效。Kida等［34］和Zhao等［35］在研究中均觀察到原裂紋分叉形成的次表面裂紋沿著平行于球表面的方向擴展，接著從表面形成的二次表面裂紋和次表面裂紋分叉形成裂紋網絡導致剝落。Zhao等［35］還指出，黏度較低的潤滑油更容易滲透進原裂紋中，使裂紋面的摩擦因數降低，二次表面裂紋形成難度降低，RCF壽命縮短。這一結論正好解釋了上文所述的潤滑劑黏度對RCF性能的影響。

2存在的主要問題

對Si3N4軸承球RCF性能的研究，尤其是失效機制的研究雖已經比較完善，但仍然存在一些問題。在上述研究中，很少有直接用陶瓷球軸承進行試驗的。O''''Brien等［5］的試驗中用到混合Si3N4球軸承，當試驗時間超過2600h時，大部分軸承中的陶瓷球都未失效，陶瓷球出現失效的3個軸承運轉時間分別為1548，3408，3441h，這還是增大載荷進行加速試驗的結果，可見試驗時間之長、成本之高。因此，在Si3N4軸承球的RCF性能研究中，真實模擬實際工況條件相當困難。在Si3N4球RCF試驗中，不同的接觸形態可能會有不同的失效模式。Hadfield等［36］用四球RCF試驗機和前人的五球、球-棒、盤-棒等RCF試驗機進行了對比，發現Si3N4球的RCF失效形式雖然均為疲勞剝落，但失效模式會根據接觸形態不同而改變。Kang等［37］分別進行了Si3N4的四球和五球RCF試驗，發現五球RCF試驗的Si3N4球滾道邊緣出現了嚴重的滑動磨損，且五球試驗機得出的RCF壽命比四球試驗機得出的要短。就目前的RCF試驗機來說，周井玲等［38］的三點純滾動接觸疲勞試驗機最接近實際軸承接觸狀態，可以相對真實地評價Si3N4球的RCF壽命，但滾動軌道無法定位，加上鋼配件的疲勞壽命往往低于Si3N4球的，導致觀察Si3N4球RCF失效全過程的難度很大。此外，上述研究中使用的Si3N4球來自不同制造商，其生產工藝、質量各有差異，使得試驗結果的可比性不高。

3結束語

由于工業技術進步對軸承這一機械裝備重要的基礎零部件的性能要求越來越高，Si3N4軸承球的RCF性能仍將是今后的研究熱點。雖然目前在這方面已經取得了一定的成果，但還有很多不足之處，尤其是國內，許多影響Si3N4材料性能的因素(如原料的純度、配方中燒結助劑的類型和添加量、燒結工藝等)有待進一步深入研究，從而提高Si3N4軸承球的RCF性能。

作者：祁海張培志郭方全單位：上海材料研究所上海市工程材料應用評價重點實驗室