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接触疲劳亚表面白色蚀刻组织剪切带的本质

接触疲劳；白蚀区；塑性变形；剪切带

随着轴承向着重载高速化方向发展，轴承所受载荷和润滑服役工况越加复杂，引起轴承过早失效。和常规疲劳不同，接触疲劳载荷不但引起裂纹，还会引起材料微观组织变化甚至相变发生。在失效轴承接触的亚表面局部处（距离表面1mm以内），分布着大量白色蚀刻区域（White Etching Area，WEA），它是轴承失效的主要模式之一。无论是进口高端轴承还是国内普通轴承，也无论是常规轴承表面还是碳氮共渗表面，都不可避免地存在该问题，这是科学界和工程界面临的一大难题。WEA的组成和结构受局部微观组织、载荷条件（压力、滑移、周向应力）和加载环境（润滑剂、氢环境）的影响。已报道的WEA由10-300nm的纳米晶组成，但本文发现了一种特殊组织的WEA，其由非晶主导，但中间掺杂着bcc和fcc相的纳米晶组织。也即，在WEA形成过程中不但发生了晶粒细化，还发生了马氏体向奥氏体相变及非晶转变。为此，我们将WEA按照是否发生相变分类为形变WEA和相变WEA。

国内外学者对WEA进行了广泛和深入的研究，对WEA的微观组织、影响因素进行了大量工作，但在形成机理方面存在很大的分歧。目前报道的主要机理主要有，材料内部氢聚集导致裂纹萌生和扩展，之后裂纹上下面相互摩擦引起晶粒细化产生WEA、局部塑性变形诱发碳化物溶解、低温再结晶机制等。然而，无论哪种机制，都不可否认的是，WEA是经历大塑性变形的结果。其典型的形貌特征是：变形高度局域化形成的剪切带。这与高速冲击下形成的绝热剪切带有很大的相似性，且都是在剪切压缩载荷下产生。但WEA是剪切带的观点不被接受的原因有两个：（1）剪切带（Shear Band，SB）是绝热条件下形成的绝热剪切带，这需要高应变率的条件；而接触疲劳是在准静态加载下形成；（2）SB的形成瞬间完成，但接触疲劳WEA是经过大量循环次数后逐步缓慢形成。本文基于连续介质力学和晶体塑性分析，对接触载荷下亚表面应变局域化剪切带的形成进行模拟，提出了新的WEA形成机理：即WEA的本质是SB，两者都是材料在局部剪切大变形下的共同响应。