《ACS Applied Engineering Materials》：Electrical Current Effects on Rolling Contact Fatigue Damage in Bearing Steels: The Role of Inclusions
编辑推荐：
用于风力涡轮机和电动汽车的轴承日益暴露于杂散电流(stray current)中，这些电流加速滚动接触疲劳(rolling contact fatigue, RCF)并通过白色蚀刻裂纹(white etching crack, WEC)的形成促进过早失效。尽管
用于风力涡轮机和电动汽车的轴承日益暴露于杂散电流(stray current)中，这些电流加速滚动接触疲劳(rolling contact fatigue, RCF)并通过白色蚀刻裂纹(white etching crack, WEC)的形成促进过早失效。尽管电辅助轴承失效已被广泛研究，但AISI 52100钢成分对WEC形成的影响仍知之甚少。本研究使用电加载微点蚀试验机(Micro Pitting Rig, MPR)，在五种直流电加载条件下，以WEC形成性齿轮箱油润滑，比较了两种具有相似硬度但夹杂物特征不同的商用AISI 52100轴承钢的RCF性能。轴承钢成分对疲劳性能的影响大于硬度。尽管钢1的硬度略低且总夹杂物含量较高，但其始终表现出比钢2更长的RCF寿命和更低的磨损。疲劳性能主要受非金属夹杂物的化学成分和局部分布控制，含MnS夹杂物被确定为主要的裂纹萌生位置。电加载通常对疲劳寿命影响有限；然而，低阳极电流密度通过降低摩擦、减轻磨损和延迟裂纹萌生，使RCF寿命延长了约四倍。亚表面观察揭示了两种互补的WEC形成机制：渐进式近表面摩擦变质(tribomutation)和最大亚表面剪切应力深度处的夹杂物辅助裂纹萌生。这些发现为电辅助WEC形成提供了机理见解，并为电气化传动系统设计更可靠的轴承钢提供了依据。
论文解读
**研究背景与目的**
风力发电与电动汽车的快速发展使轴承部件日益暴露于杂散电流环境中，风电齿轮箱轴承失效约占齿轮箱部件失效的53%，其中白色蚀刻组织主要影响高速级中间轴和高速轴轴承，是造成高成本停机的主要原因。白色蚀刻裂纹(WEC)是一种过早轴承失效模式，通常在计算L
10寿命的5?20%阶段发展，表现为被白色蚀刻区(WEA)包围的裂纹网络，WEA由纳米晶铁素体组成，硬度较基体增加约10?50%。已有研究提出摩擦变质(tribomutation)是WEC形成的关键机制，即摩擦加热、严重塑性变形和摩擦化学反应驱动局部微观组织转变。非金属夹杂物被广泛确认为WEC的优先裂纹萌生位置，其影响取决于形态、尺寸、化学性质及与基体的弹性失配。以往已确定三类加速WEC形成的外部驱动因素：含ZDDP的润滑剂化学、负滑动条件以及通过接触的直流/交流电加载，但针对不同轴承钢在上述因素联合作用下的比较研究仍十分有限。本研究旨在比较两种不同制造商供应的AISI 52100轴承钢在促进WEC形成条件下的滚动接触疲劳(RCF)性能。
**研究内容与意义**
研究人员使用配备电加载系统的微点蚀试验机(MPR)，在含ZDDP的齿轮箱油润滑、?30%滑滚比(SRR)和五种直流电加载条件下对两种商用AISI 52100轴承钢进行RCF试验。结果表明，轴承钢成分对疲劳性能的影响大于硬度差异；钢1尽管硬度略低且总夹杂物含量较高，但始终表现出更长的RCF寿命和更低的磨损。疲劳性能主要由非金属夹杂物的化学性质和局部分布控制，含MnS夹杂物是主要裂纹萌生位置。低阳极电流密度通过降低摩擦、减轻磨损和延迟裂纹萌生使RCF寿命延长约四倍。亚表面观察揭示了两种互补的WEC形成机制。这些发现为电辅助WEC形成提供了机理见解，并为电气化传动系统设计更可靠的轴承钢提供了参考。论文发表在《ACS Applied Engineering Materials》。
**主要技术方法**
研究人员采用PCS Instruments公司的微点蚀试验机(MPR)并配备直流电加载系统，在边界润滑(λ=0.69)、最大赫兹接触压力1.92 GPa、100°C和SRR ?30%条件下进行RCF试验。两种商用AISI 52100轴承钢由不同制造商供应，经相同热处理和表面精加工。测试电压±1 V和±3 V。表面采用光学显微镜、SEM/EDS和触针轮廓仪表征；亚表面通过连续切片和2%硝酸酒精溶液腐蚀后分析。夹杂物依据ASTM E45-18a和SEP 1520标准由英国Keighley Laboratories Ltd.评定，维氏硬度用FM-300显微硬度计测量。
**研究结果**
3.1 滚动接触疲劳寿命：所有滚子在322百万次接触循环截止前均失效。钢1在所有电条件下始终比钢2具有更长RCF寿命。电加载总体未降低疲劳寿命，低电流阳极(+)条件使两种钢的RCF寿命较中性条件延长约四倍。
3.2 摩擦行为：摩擦系数在初始阶段快速下降，约500万次循环后稳定。钢2在大多数条件下平均摩擦系数略低约0.01，但低电流阴极(?)条件下钢1同时呈现较低摩擦系数和更长RCF寿命。低电流阳极(+)条件产生最低平均摩擦系数。
3.3 表面损伤与摩擦膜形态：除低电流阳极(+)条件外所有条件下均出现广泛微点蚀，该条件下仅见局部轻微微点蚀，与显著延长的RCF寿命一致。摩擦膜形态依赖极性和电流密度：中性条件以黄色膜为主，低电流阳极(+)为黄蓝混合膜，高电流密度产生蓝色膜。高电流阴极
