如何提高軸承在嚴苛服役環(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制和疲勞壽命的影響，尚未得到充分的認識和研究。

在中國科學(xué)院“高端軸承自主可控制造”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的支持下，中國科學(xué)院金屬研究所材料腐蝕與防護中心王儉秋團隊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制研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計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機進行了相關(guān)實驗。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，伴隨形成的機加納米晶層中存在的大量微裂紋，促進疲勞裂紋前期擴展（圖1）。通過降低粗糙度，更重要的是同時去除機加工納米晶層，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，不同于以往認為重載、低粗糙度條件下失效為亞表層引發(fā)剝落的觀點，本研究發(fā)現(xiàn)了一種新的失效機制，即重載、低粗糙度表面條件下，表面萌生裂紋逐級擴展形成達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。