利用X射線FWHM對軸承剩余壽命預(yù)測技術(shù)的探討

劉傳銘，王 鑫，馬 爽

（洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039）

軸承是各類機器、設(shè)備、儀器、儀表中普遍使用的零件，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)。尤其是滾動軸承，其性能的好壞決定著儀器、儀表、設(shè)備的工作狀況。滾動軸承接觸疲勞失效是滾動軸承運轉(zhuǎn)過程中在交變應(yīng)力作用下，在滾動表面或次表面產(chǎn)生微裂紋并不斷擴展直至產(chǎn)生疲勞剝落。

隨著科技的發(fā)展，對軸承的長疲勞壽命、高可靠性和高運轉(zhuǎn)精度的要求日益迫切。為了避免事故的發(fā)生，及時地進行維修和更換，越來越迫切地需要了解滾動軸承在運轉(zhuǎn)過程中的應(yīng)力變化情況，并期望通過歷史壽命數(shù)據(jù)和當前應(yīng)力狀態(tài)預(yù)測滾動軸承的疲勞剩余壽命。通過大量的文獻查閱[1-3]，滾動軸承疲勞壽命預(yù)測方法可分為三類：一類是基于概率統(tǒng)計和基于應(yīng)力-壽命（S-N）曲線的疲勞壽命估計方法，即通過大量的試驗結(jié)果計算出L10壽命；二類是基于斷裂力學(xué)的疲勞壽命預(yù)測方法，即在有限元模擬技術(shù)中大量應(yīng)用于預(yù)測壽命；三類是基于過程數(shù)據(jù)的疲勞壽命預(yù)測方法。

一類和二類方法在預(yù)測剩余壽命時，不能從根本上預(yù)測軸承的剩余壽命。

本文是在接觸疲勞壽命試驗中，通過X射線測試技術(shù)[4，5]，基于X射線半高寬（FWHM）[6]的過程數(shù)據(jù)變化來預(yù)測剩余壽命進行了深入探討。

1 試驗原理和試驗方案

1.1 試驗設(shè)備原理

接觸疲勞壽命試驗工作原理類似于推力球軸承，見圖1，僅推力球軸承的一個活圈被一個平面環(huán)狀試樣所代替。當推力球軸承旋轉(zhuǎn)時，固定在保持架內(nèi)的鋼球圍繞主軸軸線沿緊圈溝道面進行自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，模擬推力軸承工作條件進行滾動接觸疲勞壽命試驗。

圖1 推力片試驗原理示意圖

1.2 X射線半高寬應(yīng)用原理

1.3 試驗設(shè)備

接觸疲勞壽命試驗使用自制的TLP型接觸疲勞壽命試驗機，見圖2；X射線半高寬（FWHM）測試使用PROTO MG30P型應(yīng)力分析儀，見圖3。

圖2 TLP型接觸疲勞壽命試驗機

圖3 PROTP MG30型應(yīng)力分析儀

1.4 試驗方案

接觸疲勞壽命試驗按JB/T10510—2005《滾動軸承材料接觸疲勞試驗方法》標準中規(guī)定進行，子樣數(shù)量為16個，計算出額定壽命L10，然后在子樣中挑選壽命大于L10的試樣在其另一側(cè)進行本次試驗。

圖4 推力片試樣FWHM測試點分布圖（左側(cè)為原始狀態(tài)、右側(cè)為疲勞狀態(tài)）

首先在試樣上均勻選取16個測試點并進行標記，見圖4。然后測量試樣的原始FWHM，一次性運轉(zhuǎn)到L10后，測量該狀態(tài)下的FWHM，之后每運轉(zhuǎn)4h后，測量FWHM，如此重復(fù)，直到試樣疲勞。

1.5 FWHM測試結(jié)果

通過調(diào)整接觸疲勞壽命試驗機穩(wěn)定性和X射線應(yīng)力分析儀FWHM測試參數(shù)后，由于受到試樣材質(zhì)不均勻性（化學(xué)成分偏析、非金屬夾雜物隨機分布、碳化物不均勻性及內(nèi)部顯微缺陷隨機分布等）、疲勞剝落位置的隨機性的影響，會使得滾道接觸疲勞壽命試驗過程中FWHM測試數(shù)據(jù)具有較大的離散性、不穩(wěn)定性，對其變化規(guī)律的研究帶來很大不確定性和困難，但經(jīng)過大量的試驗，仍可以得到一定變化規(guī)律。挑選其中變化規(guī)律較為明顯的兩組數(shù)據(jù)，并將測試數(shù)據(jù)用Origin軟件繪制曲線，見圖5～6。

圖5 測試結(jié)果1中半高寬隨運轉(zhuǎn)時間的變化曲線1

圖6 測試結(jié)果2中半高寬隨運轉(zhuǎn)時間的變化曲線2

2 試驗結(jié)果及討論

通過對兩組變化曲線進行分析，大致可以得出以下結(jié)果：

（1）初始X射線半高寬正常值大約在6.5～7.0之間；通過大量試樣初始狀態(tài)下FWHM數(shù)值的測試發(fā)現(xiàn)，具體數(shù)值與試樣的表面狀態(tài)（紋理）有關(guān)，因X射線的半高寬即衍射線最大強度一半處的寬度是描述微觀殘余應(yīng)力的基本參數(shù)，根據(jù)謝樂公式，半高寬與晶粒尺寸成反比，而晶粒尺寸與試樣的加工工藝有直接關(guān)系，在宏觀上表現(xiàn)為試樣的表面狀態(tài)。

（2）隨著運轉(zhuǎn)時間，X射線半高寬數(shù)值整體上呈現(xiàn)兩種變化，變化曲線1是次表面起源型剝落，半高寬的變化呈現(xiàn)為先緩慢下降再升高，最后驟降的三個階段；變化曲線2是表面起源型剝落，半高寬的變化呈現(xiàn)為先下降，再緩慢下降或變化很小，最后下降的三個階段，也可理解為三階段下降。

GCr15鋼制試樣滾動接觸疲勞的失效模式表現(xiàn)為在滾動表面或次表面產(chǎn)生微裂紋并不斷擴展直至產(chǎn)生疲勞剝落。上述結(jié)果從根本上可以表述為三階段下降。首先是第一階段，半高寬的下降是疲勞破壞過程中的塑性形變造成的循環(huán)軟化（多邊形化）引起的。其次是第二階段，主要是由于殘余奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，引起晶格膨脹，半高寬增加，通過對試樣的殘余奧氏體含量測試發(fā)現(xiàn)，在該階段的殘余奧氏體含量很低，接近于零。在第一階段和第二階段之間，半高寬的數(shù)值由兩者綜合作用決定，所以在運轉(zhuǎn)過程中，會出現(xiàn)半高寬數(shù)值呈現(xiàn)為持續(xù)下降或有所增加。最后是第三階段，在該階段半高寬劇烈下降，主要是因為在最大剪切應(yīng)力作用下，出現(xiàn)微觀裂紋所致，這也是通過第三階段半高寬的劇烈下降預(yù)測剩余壽命的關(guān)鍵所在。

（3）X射線半高寬數(shù)值驟降階段，X射線半高寬數(shù)值與初始階段差值大約在0.4以上，差值越大，出現(xiàn)疲勞破壞的概率越大。

通過對大量試樣在第三階段的半高寬測試發(fā)現(xiàn)，測試值與初始值差在0.4時，是微裂紋的萌生期，差值越大，半高寬越小，與測試試樣垂直的法向晶面的晶粒尺寸越大，也就意味著裂紋擴展的概率越大，當達到極限時，會出現(xiàn)疲勞剝落。

（4）疲勞坑處的X射線半高寬數(shù)值恢復(fù)初始狀態(tài)，數(shù)值大約在7.0以上（與疲勞坑大小、有無夾雜物有關(guān)）。

在滾動接觸疲勞壽命試驗時，試驗球與試樣表面接觸應(yīng)力隨著滾動中心不重合，致使?jié)L動寬度不斷變化，直到產(chǎn)生疲勞為止，見圖7～8。由此可以得出不同試樣的疲勞坑尺寸大小不一，疲勞坑的微觀形貌也各不相同，自然半高寬就各不一樣。因為進行接觸疲勞試驗時，試樣的表面經(jīng)過了磨削加工。在磨削過程中，對試樣來說，相當于進行前期試驗，表面發(fā)生塑性形變，使表面X射線半高寬下降。對接觸疲勞壽命試驗初始階段來說，疲勞坑產(chǎn)生后，表面恢復(fù)試驗原始狀態(tài)，去除表面變質(zhì)層的影響，再者如果在疲勞坑內(nèi)存在非金屬夾雜物，會破壞金屬基體的連續(xù)性，與金屬基體在邊界處產(chǎn)生微裂紋，測試半高寬時，數(shù)值也就越大。

圖7 接觸應(yīng)力分布示意圖

圖8 滾動中心不重合的應(yīng)力分布示意圖

3 結(jié)論

（1）GCr15鋼制試樣在接觸疲勞壽命試驗過程中，X射線半高寬數(shù)值變化明顯，可以使其不斷變化差值對疲勞坑產(chǎn)生的位置進行大致預(yù)測。

（2）可以通過大量試驗，積累有效數(shù)據(jù)，計算出不同半高寬變化差值在接觸疲勞壽命試驗中所占據(jù)時間，為軸承的剩余壽命的預(yù)測提供依據(jù)。