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一、轴承残余应力的产生及影响 轴承是各类转动结构、装备重要的关键基础零件，对机械产品的性能、使用寿命等具有重要影响，广泛应用在精密机床、重型装备、发电、汽车、高铁动车及航空航天等领域。其主要由内外圈和滚动体三部分组成。为了提高轴承的综合机械性能,需对轴承进行机械加工与热处理,在此过程中会出现不均匀的塑性变形以及不均匀的温度变化，内部会产生很大的残余应力，轴承滚道表层残余应力分布状态是在磨削力与磨削热的耦合作用下产生的，磨削力与热流密度的大小和分布，都会直接影响轴承滚道表层残余应力分布状态[1]。而轴承滚道表面的残余应力会直接影响滚动轴承的耐磨性。在实际服役中，滚动轴承接触疲劳失效是多种因素耦合导致的最终失效，其中残余应力特别是环向应力的大小和梯度分布状况直接影响轴承的耐磨性和抗接触疲劳性能。  图1 常见轴承类型 二、裂纹萌生对轴承疲劳寿命的影响 研究表明，滚动轴承的接触疲劳剥落是裂纹的萌生和扩展而造成的结果(如图2所示)。其裂纹主要是从亚表面某一深度产生，再逐渐扩展到表面；也可能先在表面产生，逐渐向深部扩展。  图2 滚动轴承内外圈疲劳剥落现象 裂纹的萌生和扩展，与物体表面和内部材料缺陷有关(金属的纯净度)；其次还会受到接触表面下的应力分布、特别是剪应力分布的影响。 根据疲劳机理中的最大切应力理论，球轴承在承载运转时，疲劳源最容易在轴承零件(轴承的内外套、钢球)表面下最大切应力处产生[2]，而后在交变应力的作用下，在轴承塑性变形不均匀的地方会出现应力集中的现象，导致微裂纹的萌生与进一步扩展，最终导致剥落而使轴承失效。 根据最大切应力理论，材料内部最大切应力达到临界值时，材料将发生塑性变形。如图3所示，在三向应力条件下，为避免在最大切应力截面上发生晶格滑移引起材料屈服，应使得最大切应力满足：  式中𝜎1和𝜎3分别为材料在复杂应力状态下的最大主应力和最小主应力;[𝜎]为材料的许用应力，[τ]为许用切应力。
图3 材料在复杂应力状态下的受力示意图 三、残余应力对轴承疲劳寿命的影响 轴承等工件在工作条件下所承受的应力是残余应力与外部载荷的合力。其表面残余应力由材料、加工状态以及载荷历程决定，而外部载荷应力受几何形状、工作条件等因素影响较大。另外，残余应力对工件疲劳强度的影响也因外部条件和环境的不同而改变。它与残余应力分布规律和量值、材料的弹性性能、外来作用的状态等因素有关。 残余应力是指消除外力或不均匀温度场等作用后仍留在工件内部的自相平衡的内应力。根据其在工件表面不同的方向，可将残余应力分为残余拉应力与残余压应力。残余拉应力会引起零件尺寸和形状的变化，降低金属的耐蚀性和疲劳强度，降低工件使用寿命；而引入残余压应力可以对外加应力起到缓冲作用，抑制疲劳裂纹的萌生与扩展，从而提高工件疲劳寿命[3]。 为了改善残余应力分布情况，已经发展了几种表面强化工艺用于在工件近表面引入有益的残余压应力以提高其疲劳性能[4-6]。这些工艺包括喷丸、激光表面处理等强化技术。另外，美国阿克伦大学Qin等人[7]通过超声纳米晶表面改性技术（Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification, UNSM）对AISI 52100钢和推力球轴承滚道进行了表面改性处理，并研究了处理前后的摩擦磨损特性和摩擦磨损机理。结果发现UNSM处理后，样本表面的残余拉应力转变为残余压应力且残余应力深度高达150 µm，最大残余压应力约为2 GPa，位于表面以下70 µm处。由此可以看出，通过UNSM表面改性技术在其轴承工件亚表面引入了残余压应力。结合前文提到的最大切应力理论，虽然轴承在工作过程中容易在其亚表面的最大切应力集中处产生微裂纹，从而导致工件表面发生剥落现象，使其疲劳寿命下降，但由于UNSM引入的梯度残余压应力，有利于防止在轴承表面开始形成疲劳裂纹[8-9]。此外，有研究表明UNSM引入的梯度纳米结构和有益的残余压应力可以共同减轻疲劳裂纹萌生从样品表面迁移到亚表面所造成的不利影响[10]。
图4 UNSM处理前后轴承滚道的残余应力[4] 四、轴承残余应力常见测量方法 通过前文的分析不难发现，残余应力会对轴承等工件的疲劳寿命产生重大影响。为了准确评估疲劳寿命，需要详细了解残余应力分布。如果对所生成的残余应力分布有准确的了解，并且允许应力重新分布和残余应力的多轴性质，则可以对疲劳性能进行可靠的预测。因此，在下文中将简单描述测量材料残余应力的部分方法。 常用的残余应力测试方法包括切割法、超声法、磁测法以及X射线衍射法等。 盲孔法测残余应力在1934年由德国学者Mathar J提出，现已经发展得较为成熟。其原理就是在被测工件的表面贴上应变片，并对工件打孔，使其周围应力松弛，形成新的应力/应变场，再通过测量材料表面因小孔存在而引起的变形量，基于弹性力学原理推算出材料内部的残余应力大小和方向。 切割法的原理是基于固体力学中的应变-应力关系。根据胡克定律，应变(ε)与应力(σ)之间存在线性关系，即ε = σ / E，其中E为材料的弹性模量。当材料受到外部应力作用时，会发生弹性变形，即材料会发生应变。如果材料中存在残余应力，切割材料时会导致局部应变的变化，通过测量这种应变的变化就可以间接测量残余应力。 超声法是一种利用超声波在材料中传播特性来检测残余应力的方法。当材料中存在残余应力时，超声波在其中的传播速度会发生变化，通过测量超声波在材料中传播速度的变化，就可以计算出残余应力的大小。 磁测法是一种无损检测的方法，它的基本原理是基于铁磁性材料(如低碳钢等)的磁致伸缩效应，即铁磁性材料在磁化时会发生尺寸变化；反过来铁磁体在应力作用下其磁化状态(导磁率和磁感应强度等)也会发生变化，因此通过测量磁性变化可以测定铁磁材料中的应力。 各种方法具有不同的测试深度和分辨率，相应的测量成本以及对测量人员的技术要求也有很大的区别，因而需要根据零部件特点和测量需求进行合理选择。然而对轴承残余应力的测量而言，由于轴承形状较为复杂、表面呈弧形，因此盲孔法难以实施，超声法和磁测法则难以得到定量表征。 X射线衍射法在轴承应力测量方面则应用得相对较多，其基本原理是以测量衍射线位移作为原始数据，得到样本表面的残余应变，再通过胡克定律由残余应变计算得到残余应力。当试样中存在残余应力时，晶面间距将发生变化，发生布拉格衍射时，产生的衍射峰也将随之移动，而且移动距离的大小与应力大小相关。利用X射线穿透金属晶格时发生衍射的原理，可以测量轴承滚道的表面层由于晶格间距变化所产生的应变，从而测量轴承的残余应力，获得轴承表面微米量级深度的残余应力。然而X射线的穿透深度较小，只能测量材料表面的残余应力，如果需要测量材料内部的残余应力，或者测量应力梯度，通常解决的办法是采用剥层法。 参考文献 [1] 王德祥.滚动轴承内圈滚道磨削残余应力研究[D].山东大学,2015. [2] Zaretsky E V,Coe H H,August R. Effect of hoop stress on ballbearing life prediction [J]. Tribology Transactions,1997,40(1):91–101. [3] Wagner, L., Mechanical surface treatments on titanium, aluminum and magnesium alloys. Materials Science and Engineering: A 1999; 263(2): 210-216. [4] Zhan K, Jiang CH, Ji V. Effect of prestress state on surface layer characteristic of S30432 austenitic stainless steel in shot peening process. Mater Des 2012; 42: 89-93. [5] Nalla RK, Altenberger I, Noster U, Liu GY, Scholtes B, Ritchie RO. On the influence of mechanical surface treatments-deep rolling and laser shock peening-on the fatigue behavior of Ti-6Al-4V at ambiment and elevated temperatures. Mater Sci Eng 2003; 355(1-2): 216-30. [6] Ye C, Telang A, Gill AS, Suslov S, Idell Y, Zweiacker K, et al. Gradient nanostructure and residual stresses induced by ultrasonic nano-crystal surface modification in 304 austenitic stainless steel for high strength and high ductility. Mater Sci Eng 2014; 613: 274-88. [7] Haifeng Qin, Zhencheng Ren, Jingyi Zhao, Chang Ye, G.L. Doll, Yalin Dong, Effects of ultrasonic nanocrystal surface modification on the wear and micropitting behavior of bearing steel in boundary lubricated steel-steel contacts, Wear 2017; 392–393: 29-38. [8] Li H, Zhang J, Ao N, et al. Influence of residual stress and its relaxation on the corrosion bending fatigue resistance of EA4T axle steel treated by ultrasonic surface rolling. Int J Fatigue 2023; 170: 107561. [9] Kattoura M, Mannava SR, Qian D, et al. Effect of ultrasonic nanocrystal surface modification on elevated temperature residual stress, microstructure, and fatigue behavior of ATI 718Plus alloy. Int J Fatigue 2018; 110: 186–96. [10] Zhang Y, Peng L, Ye Y, et al. Exploring the strengthening mechanisms of additive manufactured metals treated by ultrasonic nanocrystal surface modification. International Journal of Fatigue 2025; 190: 108609. |
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