风电齿轮箱轴承白蚀裂纹失效全面评述主要因素及试验研究

1引言本文评述的失效模式出现在可再生能源领域，尤其是近20年快速发展的风能领域。海上风电是未来低碳发电最具前景的可持续能源，尤其是更多风源可用的远海区域。与风的类型、空间缺乏或视觉冲击相关的不同因素正推动风电不断地向海上发展。与陆地环境相比，海上环境的主要优势是可用面积的增加可创建大的高容量设备(风场)，并减少视觉冲击和降低噪声。2017年欧洲海上风电装机容量增长3148MW，为2016年的2倍，比2015年多13%。然而，要接近并在这样的环境中工作则变得越来越复杂，带来了新的技术挑战。风力发电机中失效率最高的是电气电子系统、传感器或刹车系统。无论如何，最常引起风力发电机停机的部件是齿轮箱，因为风力发电机停机和更换齿轮箱带来高额的经济成本，2011年更换齿轮箱的费用估计高达19万欧元。70%的齿轮箱失效是因为轴承，48%的失效集中在高速轴轴承，其他为中间轴和低速轴轴承以及齿轮。风电齿轮箱轴承出现不同的失效模式。根据文献[5]，齿轮箱轴承出现以下失效模式:裂纹及断裂、磨损、塑性变形、安装及润滑剂失效。本文聚焦的主要失效模式是裂纹及断裂，尤其是过载断裂。在文献[5]中认定白蚀裂纹(WEC)为过载断裂的一种形式，可由过载拉应力产生。根据科技文献，WEC不属于迄今所知的任何摩擦接触失效模式。Ruellan在其文章中论述了滚动轴承所经受的2种主要失效：磨损、滚动接触疲劳(RCF)。磨损是指在低中次数的疲劳循环后产生材料的剥落，同时形成碎屑；RCF在长期疲劳循环后非常明显且常与材料的表面及次表面开裂有关。在Manieri等的一篇讨论WEC起源的长且详尽的文章中给出了WEC的最新形成机制，其与众所周知的磨损及RCF略有不同。该形成模型基于轴承滚子与滚道间的早期高边缘应力，可概括为以下4点：1)早期阶段的高边缘应力导致裂纹萌生；2)在一定次数的疲劳循环后由于磨损及边缘的变形改善了接触状态，边缘应力明显减小；3)裂纹生长速率随应力的减小而减缓，使裂纹面的摩擦发生相对长的时间(见3.1节)，进而导致裂纹周围的显微组织变化，称之为白蚀区(WEA)；4)最后发生表面剥落，导致轴承失效。这一形成机制如图1所示。在分析了不同文献对WEC形成机制的建议后，发现早期阶段的过载对WEC的产生似乎是必要的。在文献[7]中，过载归之于边缘应力；在文献[5]中，WEC标记为过载断裂，由过载拉应力引起。另一方面，Ruellan等对比了WEC与RCF，并指出:在WEC的情况下，变化的材料区域因临时过载期间的最大次表面应力作用而超出最大Hertz应力区,进而可在较长的过载期间向更深处发展,以这种方式产生裂纹并由于次表面应力的减小而缓慢生长。有关WEC起源及扩展模式的详细总结见Evans撰写的综述,其将起源模式分为表面及次表面起源模式。图1文献[7]提出的WEC应力形成模型示意图关于WEC的形成机制,不同研究者之间并未达成一致意见,这种现象的显微组织表征似乎也不清晰。WEC被定义为一组由变化的显微组织围绕的裂纹网(图2),当受影响的区域用2%硝酸酒精溶液腐蚀后可揭示出WEA的形貌。根据文献,WEA以2种形式存在:由纳米晶及非晶相组成的转变WEA;主要由纳米晶组成的变形WEA。WEA为纳米晶铁素体结构,硬度比基体高10%～50%,硬度增加是由于晶粒尺寸减小,非常细小的渗碳体颗粒的弥散分布以及塑性变形,这些均为钢的强化机制。次表面裂纹最终与表面连接,产生缺痕并导致所谓的白色组织剥落(WSF)。裂纹萌生及扩展的深度大致位于最大切应力区。图2在瞬变工况下试验的试样上平行于接触面的次表面裂纹萌生及WEC的形成,示意地再现了滚动轴承中WEC的形成自20世纪90年代以来,WEC一直是摩擦学、润滑剂及轴承制造团体讨论的话题。因为风电的发展及其与这种失效模式的关系,WEC的研究一直在显著增加。所有与WEC相关的研究的主要目的过去是且现在仍是了解其萌生及扩展的机制,确定促进这种现象形成的因素并开发减轻这种失效模式的解决方案,诸如涂层、新的润滑剂或新的钢材质量。在WEC形成过程中可能的驱动或加速因素中,以下因素较为突出:1)润滑剂及其添加剂;2)非金属夹杂物(NMI);3)瞬变工况;4)其他驱动因素,如电流通过、轴变形或高温。数名作者研究了润滑剂及其添加剂对轴承摩擦接触中原子氢存在的影响以及异质摩擦膜的形成有时可增加表面拖动力这样的现象。作为钢基体缺陷的NMI有利于应力集中并促进裂纹萌生,无数研究聚焦于表征与次表面裂纹形成密切相关的夹杂物。毫无疑问,一种研究最多的因素是滚动体与滚道接触区中发生的剧烈滑动的影响,剧烈滑动主要由风力发电机中发生的瞬变工况引起。残存电流的通过是许多研究者研究的另一种驱动因素,因为齿轮箱后面发电机的存在,有可能发生放电,影响轴承的正常运行。其他驱动因素是轴承运行中产生的轴变形及高温。本文目的是对过去几年里WEC的研究进行概述,除对与WEC现象相关的主要概念进行一般性的综述外,还将对该领域开展进一步研究的计划及实施提供帮助。为此,本文分为:第2章表述以前研究中所用的形成WEC的方法；第3章给出疲劳过程中出现的不同显微组织变化；第4章是本文的核心,也是内容最多的一章,因而分成几节,每节讨论一种促进WEC形成的因素；第5章论述聚焦于WEC研究所用的主要试验程序；第6章是关于热处理及涂层(黑色氧化及类金刚石碳)对WSF产生或防止的影响；第7章给出主要结论及应进一步开展的工作。2WEC起源模式在讨论该话题前，应注意WEC起源模式取决于过程中涉及的因素。在文献报道的及在实验室为产生WEC所进行的试验中，测试了不同的驱动因素(氢、电流通过、粗的表面粗糙度等),这些因素决定了裂纹的起源模式以及构成WEC的显微组织变化。因此,为了解风电轴承中与WEC相关的失效原因,有必要精确选择实际应用中这些失效起源过程所牵涉的驱动因素。Ruellan等指出在预充氢和非充氢试样中WEC的起源存在主要差别。对于第1种情况,已证实WEC容易形成且很可能发生于次表面的最大切应力区。由于氢脆,裂纹起源于材料的最弱处。根据2种主要假设,氢有利于:1)夹杂物与基体分离;2)缺陷周围的局部塑性变形。对于非充氢试样,WEC的形成花费更长的时间(即更多的疲劳循环次数),且不会发生在最大切应力深度处,而是接触区的边缘。在Evan的WEC综述中强调了钢种及疲劳过程对WEC起源模式的影响。WEC起源可划分为表面或次表面过程。表面起源似乎是特例,因为其在以下驱动因素影响下发生,诸如暴露于表面的NMI、机加工缺陷、引起电蚀的放电而产生的微蚀坑。文献[8]描述了2种表面起源的情况:1)由导致表面微裂纹的切应力而产生的起源;2)受作用在表面特殊区域的周向拉应力影响而产生的起源,当套圈与存在形状偏差的轴配合时会产生这类应力,套圈发生变形导致出现承受高周向应力的区域。在这2种情况下很可能受氢的影响。产生新鲜表面后,氢会发生反应并扩散到钢中,从而有利于裂纹的生长(见4.1节)。基于近年来的研究结果,次表面起源理论更受关注,包括所进行的实验室规模研究以及对工作一段时间后失效的风电轴承所进行的分析。在这种情况下已确定钢的缺陷(NMI、空洞、微裂纹)为主要的失效起源点,这些缺陷充当应力集中部位,因缺陷边缘产生高于该深度处计算出的应力峰值。钢基体中存在这些缺陷时还应考虑Tresca切应力τ45的影响,τ45在次表面区域达到最大值。有关NMI对WEC产生的影响的详细研究见3.1节。文献[30]提出一个有趣的次表面起源模型,其基于氢和Hertz应力的影响(在钢的次表面存在明显的NMI)。根据图3,该模型提出:在次表面的某个区域,一个最大的氢扩散区与最大Hertz应力区重叠,其有利于次表面裂纹的形成。该研究指出:滚动体与滚道间接触区尺寸显著影响氢扩散,接触区越大,接触区外的自由表面越小,越有利于钢基体中氢的高度集中。图3文献[30]提出的WEC起源模式示意图。氢扩散区与高切应力区重叠有利于次表面裂纹的形成广泛讨论的与次表面起源模式有关的概念是WEC形成与裂纹的先后顺序。一些研究认为由于显微组织的变化,次表面中先于裂纹形成WEA;而大多数认为发生的次序相反,由于以上所论的某些现象而使裂纹先产生,随后因切应力的作用使裂纹面发生摩擦而产生WEA。本节提到的概念将在3.1节深入讨论。概括起来,有2种WEC起源模式:表面及次表面,起源模式取决于每种情形中的驱动因素。与表面变化(粗的表面粗糙度、不良机加工、电蚀……)相关的那些驱动因素有利于表面起源,有利于次表面起源的驱动因素是总在轴承摩擦接触区或多或少存在的那些因素(NMI、氢、高切应力等)。3显微组织变化3.1WEA由于对这一主题开展了大量研究,近年来对WEA的起源及形成的了解似乎已向前迈出了一步,但就这一现象而言还未达成一致的结论。WEA被描述为体心立方纳米铁素体结构,固溶体有过饱和的碳。详细的显微组织研究进一步揭示:WEA中无大的碳化物析出,含有尺寸为10～100nm的不均匀晶粒。显微组织变化区中已发现非晶相与纳米晶结构共存,在这些区域可见完全无序的晶体网。有趣的是注意到WEC形成机制的独立性,在所有科技文献中一种钢(本综述聚焦于常用轴承材料SAE52100)的WEA结构特征相同。WEA形成机制可分为2组:(A)先出现裂纹,而后裂纹面摩擦导致显微组织变化;(B)先产生WEA,而后在该区域内产生裂纹。一些研究报道了这一显微组织变化区的性能或特征略有变动(本节后文提到的例外),但一般绝大多数研究赞同以上给出的定义。由裂纹面摩擦形成WEA的机制A得到多个研究的证实。文献[47]和[51]指出:滚/滑接触过程中,预先存在的裂纹面相互摩擦撞击,产生非常细小的晶粒,WEA被认为是由于实际损伤(裂纹、脱开的夹杂物或空洞)而产生的结果。文献[47]提出:为在裂纹周围形成白蚀物(WEM),有2种参数最为重要。首先,裂纹相对于滚动方向的取向及次表面切应力的深度将决定裂纹的哪一部分在外加压力下张开,哪一部分收缩、摩擦并产生硬的WEM;其次,与回火马氏体中的裂纹相比,被残余奥氏体(在RCF下应变转变为未回火马氏体)环绕的裂纹似乎产生较少的WEM,原因是缺少碳化物。有争议的是裂纹面摩擦可否提供足以产生纳米晶结构及非晶相所需的能量。根据YuriKadin的研究,非晶化过程在能量上是可行的,在该研究中假设WEA形成前就存在裂纹,其给出了通过模拟Ⅱ型裂纹中由循环剪切和压缩引起的裂纹面上的摩擦相互作用而进行的WEA形成的理论研究。裂纹面摩擦所耗散的能量部分转化为热量,部分转化为显微组织变化(对应的是非常大的位错密度积累),这一过程强化了非晶化过程。文献[11]发现与WEC形成相关的NMI的共同之处。NMI是:1)类型及尺寸一致;2)夹杂物-WEC相互作用的深度处于或接近最大次表面切应力区;3)WEC网中裂纹的扩展方向与夹杂物的定位有一定相似性。因此提出:NMI与WEC现象密切相关,就如其他研究所观察到的那样。众所周知,滑动接触有利于WEA的形成。已证明在最大滑动能集中的区域发生较高密度的显微组织变化。在负滑动区,WEA显著增加,因为作用在裂纹上的合力倾向于避免裂纹张开,有利于裂纹面的摩擦,因而有利于WEA的形成。试验应力循环积累产生的WEA体积支持WEA形成机制A。文献[38]指出:WEA体积随循环次数增加而增大,试样经受的载荷循环越长,裂纹生长得越多,产生新的裂纹面,因而导致更多的显微组织变化区。根据文献[11],WEA密度的增加存在非线性。在4～18h的试验期间,12～18h内WEA密度快速增加。最近的大量研究证实了WEA形成机制B,即一旦形成显微组织变化区就可能产生裂纹。普遍认为:与附加载荷(诸如局部高温或原子氢的存在)叠加的局部高机械应力是WEA形成的根本原因。文献[41]发现:在WEA形成的初始阶段,形成了针状结构,其内存在塑性变形的球状碳化物,这些碳化物由位错胞结构及细粒状结构组成,通过马氏体的剪切变形形成;该文献进一步指出:在马氏体/残余奥氏体、马氏体/球状碳化物间的界面上形成空洞。文献[54]描述了WEA内碳化物的退变,这一现象本质上是由于碳化物析出物的变形及溶解。该研究支持这样的假设:WEC过程通过结构畸变的持续积累而起始于无失效期,因此WEC既与钢中NMI无关,也与其他杂质无关。某些工况条件(如存在滑动或瞬态电流)可能有利于负面热效应发挥作用,导致高缺陷区的塑性变形,塑性变形的积累触发渗碳体周围的畸变,畸变又导致扩散过程带来的碳过饱和及碳化物的塑性变形。最后通过减小显微组织的尺寸,完全变化的区域将释放积累的能量,形成WEC。在文献[38]所进行的研究中提出了反对WEA形成机制A的2个事实。首先,欲将晶粒细化到纳米级别,需要足够的能量产生位错簇,且需要额外的能量溶解大量的碳化物;其次,摩擦裂纹面可能不足以产生形成WEA所需的能量,因为部分能量以形成磨屑的形式耗散掉。该研究进一步指出:WEA主要由非晶相组成,其内嵌有纳米晶体,而不是以前研究所提出的纳米铁素体结构。这些作者将WEA分为变形及转变WEA;关于构成,变形WEA主要由BCC纳米铁素体组成,而转变WEA涉及剪切驱动的非晶化且由非晶相及纳米晶体组成。根据文献[55],在大的塑性变形下非晶相的形成是剪切驱动固态非晶化过程;通过缺陷(如空洞、晶界、位错)的积累,晶粒被细化到纳米尺度。当晶粒细化到临界尺寸(3nm或5nm)时,晶体突然转变为非晶相。在文献[38]之后,文献[48]强调:在WEA中存在高含量的奥氏体;根据文献[48]的研究结果,转变及非晶化似乎发生在显微组织变化区(WEA)。WEA中的奥氏体含量高于原始钢基体(从2%～3%至30%)表明:发生了马氏体向奥氏体的转变,其受变形诱发机制控制。根据文献[48],文献[57-58]所支持的热诱发相变可排除在外。当晶体相储存的能量超过非晶相时就会发生非晶化。在剧烈塑性变形的情况下,非晶化受变形驱动机制控制;大的塑性变形在晶体结构材料中产生空洞、位错及晶界;晶界的面积百分比越高,系统中可用的自由能越多。但也有例外,WEA并不完全符合以上给出的解释,并非在所有研究中均观测到文献[48]所提及的WEA中奥氏体增加。文献[41]发现:与原始基体相比,WEA中奥氏体减少。相似地,也并非所有研究中都存在相同的非晶相。一些作者提到:存在的非晶相不同于在文献[60]中发现的。然而,文献[41]和[60]证实:裂纹的形成发生于非晶相与纳米晶体相之间;因而,WEA显微组织取决于影响显微组织变化区形成的外部因素。大部分论述WEA的文献提出以下2个方面作为WEA形成的最重要因素:1)环境中存在氢。氢有利于WEA形成并影响其发展。根据文献[44],氢在钢中的作用之一是增强RCF期间的局部塑性,其基于氢存在时位错移动性增加的事实。假如由于滑移的局部化,在障碍物处(如碳化物)位错密度达到临界值,其就会与增加的应力集中叠加,碳化物的溶解就会发生。文献[64]提出:轴承钢中的氢可减小裂纹面间的滑动摩擦因数,因为吸附在裂纹面上的氢原子减小表面能及附着力。摩擦因数的减小意味着耗散能的增加,因而也就是裂纹接触面间的滑动增加,这就导致达到晶粒细化所需能量时的应力循环次数减少,因而WEA形成会更早出现。2)钢基体的原始显微组织。原始显微组织不同,WEA将具有不同的力学性能,这点很明显,因为在这些显微组织变化区中形成的相组分与普通马氏体轴承钢并不相同。文献[65]研究了由在稳定的奥氏体基体中细板条贝氏体铁素体组成的纳米贝氏体钢。在进行RCF试验后,采用先进的表征工具分析了WEM形成期间碳的再分配,发现:无碳化物纳米贝氏体中的白蚀蝴蝶翼与无碳化物贝氏体钢轨中的WEC分别比周围基体软约10%及48%。蝴蝶WEM硬度下降较少归之于其碳的损耗,而钢轨WEM硬度下降较多是由于该区域内存在细的残余奥氏体晶粒以及碳的损耗。与之相反,对于淬回火马氏体钢,RCF导致渗碳体的溶解,产生比原始基体硬的WEM。因而,大多数的研究报道:WEA的产生是由于裂纹面的摩擦,这意味着将显微组织变化的形成理解为一种次表面失效模式(微裂纹形成)的结果,而不是失效本身。另外,也指出:WEA形成过程中涉及的驱动因素不同将产生具有不同性能及形貌的显微组织变化。3.2与WEC不同及相近的显微组织变化:DER,WEB及蝴蝶组织有一些与WEC类似的特殊显微组织变化,因而在分析鉴别机械零件发生了哪种现象时会引起混淆,尤其是对滚动接触中诱发的那些显微组织变化,如暗蚀区(DER)、白蚀带(WEB)及蝴蝶组织。DER及WEB组织变化是材料经受高次应力循环后在其次表面产生,因此不会引起早期失效。然而,蝴蝶组织由夹杂物和WEA构成(图4),因而认为其是应力集中点,该处有可能萌生裂纹。蝴蝶组织与WEC的形成及扩展密切相关。4.2节将深入讨论NMI对WEC形成的影响;为了有利于将每种显微组织变化合适分类,下面将全面讨论这些概念。图4蝴蝶组织特征3.2.1DER当材料在RCF状态下经受中-高次应力循环时,在最大Hertz切应力区将发生显微组织变化,典型的深度为接触面下1mm。这些变形区域被称为DER是因为经硝酸溶液腐蚀后在光学显微镜(LOM)下观察时其呈暗色。循环次数的增加意味着DER的尺寸更大。回火马氏体中积累的塑性变形越大,这些区域就越暗。DER是WEB形成前首先发生的组织变化,由一些与轴承滚道面无任何特殊取向的暗色微带组成,且因碳向由微塑性应变产生的位错区迁移而将其表征为回火马氏体。因此,这种塑性变形导致材料软化(与基体组织相比)。3.2.2WEB在预先存在的显微组织变化中,DER相同深度处(最大切应力区)产生WEB,其出现于DER之后,因而在经受非常高的应力循环次数或重载RCF状态下产生。可发现2种WEB(图5)。与表面呈低角度(30°)存在的WEB称之为平白带(FWB)或低角度带(LAB)。根据一些研究,FWB会进一步发展为更厚且更长的陡白带(SWB)。LAB可用LOM观测到,因为其细的结构呈现出高耐蚀性。LAB较薄(0.1μm)且相对较长(1～2μm),其显微组织由被诱发片状碳化物的形成而规则分开的低碳微细铁素体相组成,比基体软。重要的一点是需将其与碳饱和的硬WEA区分开来。图5RCF试验后滚子的周向截面(2%硝酸溶液腐蚀)。接触面下明显形成了DER及WEB,出现了2种WEB:LAB(先出现)及HAB第2种WEB在FWB出现的区域稍后形成,与轴承滚道面呈70°～80°,如图4所示,且称之为高角度带(HAB)或SWB。HAB比LAB厚(15μm)。以前提到有2种看似WEC的不同缺陷,但事实上其与WEC完全不同。3.2.3蝴蝶组织钢中起源于NMI的蝴蝶组织是三维组织变化,其名字是因为在LOM下观察时与蝴蝶相似,呈现为WEA蝴蝶翼及NMI本体,如图4所示。由于切应力循环,在夹杂物周围产生高应力集中,导致材料基体与夹杂物间的界面分离或裂纹萌生。因为基体与夹杂物的热膨胀系数、形状或弹性模量的显著差异,切应力促使界面分离并在材料缺陷处萌生裂纹。夹杂物周围产生拉压应力,拉应力导致裂纹萌生(Ⅰ型载荷,依据裂纹位移模式理论),切应力将有利于裂纹扩展(Ⅱ型载荷)。例如MnS夹杂物比钢基体软,当钢材在高温下轧制时,这些夹杂物呈长条状,引起各向异性,因此材料在各方向的响应并不相同。蝴蝶组织在RCF早期阶段出现在距轴承滚道面0.05～1.5mm深度处;但随着进一步的RCF循环,若该深度范围内无夹杂物时,蝴蝶组织可在较深处出现。由于最大切应力作用在与滚道面呈±45°的方向上,所以典型的蝴蝶翼扩展角为相对于滚道面呈30°～50°。形成蝴蝶组织的主要夹杂物为硫化物、氧化物(Al2O3)或二者形成的两相夹杂物,其来自于材料的制造过程,在每种轴承合金钢中的量不同。由于炼钢过程最佳化的高成本,要避免夹杂物的出现实属不易。蝴蝶组织中WEA的形成机制还未充分了解,但文献中提出了2种机制:一种是先形成裂纹,然后裂纹面摩擦形成WEA;另一种是由于切应力循环诱发的局部塑性变形而产生WEA,之后形成裂纹。因为蝴蝶组织三维发展,要了解和分析这种缺陷需要不同截面的分析。事实上,仅在一个截面上分析蝴蝶组织可能会将其判别为WEC的形成。因此,重要的是要区分WEC的形成(裂纹和WEA)与蝴蝶翼(总与NMI有关)的差异。另外,也要将2种蝴蝶组织加以区分:一种是不会显著扩展而引起失效;另一种是在材料中扩展形成裂纹并以形成WEC而结束。4WEC驱动因素本节收集了文献中提出的WEC形成的主驱动因素,根据其来源或特征可分为3组。第1组对应的是与润滑有关的因素,如润滑剂中的氢及添加剂;第2组指材料,尤其是钢中的NMI;第3组指与工况或外部因素有关的驱动因素,如残余电流、瞬变工况、滑动接触、高温或轴承与轴的不良配合。4.1氢4.1.1钢的氢脆过去这些年里,氢被认为是WEC形成的主驱动因素。根据最新的研究,有关氢在WEC形成中的作用的理念似乎也在变化。氢不再被认为是WEC形成的主驱动因素,而是过程加速因素。为了再现WEC失效,不一定要人为预充氢,文献[11]和[22-23],[26],[75]已证实:不采用预充氢试样也可产生WEA。无论如何,应注意:不对试样进行人为预充氢并不意味着氢没有机会扩散到材料中,因为众所周知在特殊工况下某些润滑剂会降解并产生原子氢。仍有争议的是氢脆加速WEC形成的模式,在解释氢对钢的力学性能的危害时主要有3种理论:氢增强脱粘(HEDE);氢增强局部塑性(HELP);氢增强应变诱发空洞(HESIV)。然而,根据一些研究,WEC的形成并未遵循这些模式的任何一种,氢脆无法充分解释氢在轴承钢中的作用,取而代之的是氢的作用似乎是这些模式的组合。一般的解释是钢中的氢有利于裂纹尖端的局部塑性,进而增强滑移变形,并因此降低裂纹生长及扩展的I/II型应力门槛值。因为氢是双原子分子气体,太大而不能进入钢,需分解为2个原子。氢扩散的驱动因素是由晶格中的氢浓度差、电场、应力场、温度梯度产生的化学势能梯度,氢从化学势能最高的区域向最低的区域扩散,直至2个区域的化学势能相等为止。扩散流量与氢浓度梯度和扩散系数的积成正比。氢原子可残留在钢晶格网的间隙中。无论如何,有一些部位比间隙更有利于氢的积累。这些部位就是材料缺陷,一般称之为阱。材料中存在的阱越多,钢中的氢溶解度越大。一旦氢进入钢,其能以2种形式存在:可移动(可扩散)的氢及不可移动(非扩散)的氢。可移动的氢指保持移动性的氢,是被捕获在弱可逆阱中的氢;相反,不可移动的氢指被捕获在不可逆阱中的氢。Pressouyre将阱分为:物理阱、吸引阱或混合阱。吸引阱是原子被力作用的晶格区域,这些力包括电力、温度梯度产生的力、与应力场有关的力;物理阱是晶格缺陷,诸如晶界、夹杂物与基体间的非共格界面或空洞;大多数的阱应称为混合阱,因为所有缺陷(空洞、夹杂物、位错等)会以某种方式诱发电场或应力场。每个阱有不同的称呼,取决于阱的吸引特性。一个好的混合阱的例子是边界位错。4.1.2润滑剂及氢对WEC形成的影响扩散到钢中的氢可能来自于制造过程,也可能来自于运行或试验期间存在的润滑剂和水。来自于制造过程的氢被认为是不可移动的氢,因此与扩散氢相比其是无害的。科学界对试验期间氢的来源似乎已达成共识。已观察到:存在新鲜金属表面(非钝化表面)时润滑剂会发生摩擦化学反应,释放氢。文献[76]指出:通过与新鲜金属表面的触媒反应,润滑剂发生分解并产生氢。新鲜金属表面具有化学活性并对有机物产生触媒效应,因此加速了有机物的分解反应,并发生脱氢。每种润滑剂产生的氢量取决于其润滑性,而不是其化学结构;也已证实:诱发更大磨损的润滑剂意味着扩散到钢中的氢更多。文献[23]指出:试验期间润滑剂会发生氧化反应,产生诸如羧酸、乙醚、酯类的产物,羧酸与新鲜金属表面发生化学反应形成铁的羧酸盐及氢。在聚焦于WEC形成及扩展的研究中,可区分为强制氢扩散机制(在摩擦试验前人为预充氢)与试验期间扩散机制。关于进行氢强制扩散的试验,结果显示:预充氢量越多,产生WEC所需的循环次数越少;然而,在未人工预充氢的研究中,在试验期间发生来自于润滑剂的氢向钢中扩散是由于几种化学及力学现象的作用。当试图了解齿轮箱轴承中所发生的一切时,这些试验似乎更有趣。扩散机制受几种现象影响,如润滑剂的添加剂、摩擦膜的形成(与添加剂有关)、润滑状态或滑动接触。最感兴趣的是影响氢扩散的所有因素均与WEC的形成密切相关。另外,值得注意的是:深入了解单个驱动因素及其综合作用是解决轴承WEC问题的关键。文献[75]选择2种油在销-盘(PoD)摩擦试验机上进行试验来研究WEC的形成。其中一种油是阻止氢释放的PAO基高性能齿轮箱油(低产氢),另外一种油(称之为RTH油)是高产氢油。试验结果表明:RTH油释放的氢更多。换句话说,在相同工况下其比PAO油更能促进WEC的形成。类似地,DominikKürten等进行的研究中使用了3种油(齿轮箱油、MAC流体、PFPE),在试验后测量了每种试样的氢含量,结果显示:在相同工况下,测得的氢含量变化很大。齿轮箱油、MAC流体及PFPE试样分别呈现出最高的氢含量,试样中氢含量最高的齿轮箱油是唯一产生WEC的油。因此,润滑剂是疲劳试验期间的氢源,其加速了WEC的形成。氢向钢中扩散的难易程度不同,其不利作用或大或小。难以区分润滑剂和氢对WEC形成的影响。因为润滑剂或其中的水是主要氢源,在同一节中研究这种现象比较有趣。在滑动接触的钢中氢的扩散机制受以下因素影响:润滑剂中的添加剂、摩擦膜的形成、润滑状态以及摩擦面间产生的摩擦能。润滑剂的添加剂似乎对氢的扩散起着关键作用。采用FAG-FE8试验机进行试验的文献[21]指出:添加剂(OBCaSul)含量与扩散到试样中的氢量有关;润滑剂中OBCaSul含量越高,扩散到材料中的氢量就越多,发现WEC形成的数量越多。文献[24-25]指出:磺酸钙去污剂阻止摩擦膜的形成,促进异质ZDDP摩擦膜的形成,有利于暴露出新鲜金属表面,通过摩擦化学反应产生氢并扩散到钢中。数个研究指出:这2种添加剂的协同作用在某种程度上有利于氢的扩散,因而就利于WEC的形成。至今还不清楚这些添加剂的单独影响和综合作用。Tanaka等进行的研究指出:ZDDP添加剂可有效防止氢渗入次表面;相反,文献[84]在同年(2017年)进行的研究则认为:ZDDP添加剂的存在促进氢向钢中扩散,因为其分解产物对阻止原子氢重新组合为氢气具有不利作用,进而导致金属表面的原子氢含量增加。Gould等进行的研究似乎对所讨论的问题有所启迪,该研究的目的是区分以前研究中所用的称之为低标油的油中存在的每种添加剂的影响。进行了一系列试验,每种润滑剂采用其中一种添加剂调配,试验在微剥落试验机(MPR)上进行,也使用了小型拖动试验机半原位研究摩擦膜特征,研究结果如图6所示。考虑到这些结果及所表达的内容,可认为:添加剂含量越高,则水含量越高。与此不同,文献[33]和[87]进行的另外研究指出:较高的含水量是WEC形成的关键因素,且在这种情况下含水量与早期WEC的形成没有任何关系。应注意:润滑剂(仅含ZDDP)未显示出高含水量这一事实并不意味着不会产生氢且因此促进WEC的形成。例如文献[21]对在仅含ZDDP(无OBCaSul)的润滑剂润滑条件下试验后的试样进行热脱吸分析,发现其氢含量高于未试验试样。图6(a)文献[20]所试验的每种油失效前的应力循环次数;(b)每种油配方中的含水量有关在某些添加剂影响下促进氢扩散的另一个假设存在于摩擦膜的形成。文献[18-19]在带有隔层成像仪的小型拖动试验机(MTM-SLIM)上进行试验显示:使用所谓的WEC危险油,产生厚的摩擦膜,带来高的摩擦因数;文献[20]支持这一假设,即某些引起高摩擦因数的摩擦膜有利于WEC的形成。建立了高摩擦、氢扩散与WEC形成间的某种关系,这是因为迄今为止所进行的试验显示:含金属添加剂的润滑剂具有高的含水量,且采用这些润滑剂试验后的试样显示出高的氢含量。根据文献[20]可废除这种关系。如上所述,对采用仅含ZDDP的润滑剂试验后的试样进行氢含量测试有助于证实摩擦-氢-WEC关系或提出另一个直接将摩擦与WEC联系起来的新关系。某些研究强调了促进氢扩散并间接促进WEC产生所需的摩擦能。最近的研究发现:行星轴承在非承载期间经受显著的滑动,因此使用纯滑动条件再现风电齿轮箱中发生的实际接触状态。文献[76],[84],[91]所使用的方法证实:纯滑动接触区中润滑剂/添加剂的分解及水污染促进氢向新鲜轴承钢表面扩散。文献[75]显示:在低产氢、低载荷频率及纯滑动状态下产生WEA;该研究结果证实:在纯滑动状态下,增加产氢或载荷频率,WEA在更早阶段形成。文献[76],[30],[92]将与滑动有关的机制及所涉及的力与摩擦能积累的概念联系起来(见4.4节),建立了摩擦能积累、吸氢及WEC形成的关系。因而,根据文献可知,似乎轴承的纯滑动或高滑动百分比工况有利于在滚子或套圈的某些区域形成WEC。并未充分了解为什么有些研究发现滚动体的失效比率较高,而在另一些研究中套圈的失效比率较高。这可用2种零件用钢的洁净度不同来解释,因为洁净度越低,夹杂物的数量越多,因而捕获氢的概率越高,应力集中部位越多。同时,润滑剂及氢对WEC的加速作用似乎是清楚的。为了了解不同驱动因素之间的联系,有必要进行研究,将添加剂(如ZDDP或CaS)与试验后的试样中被捕获的氢量及WEC的形成联系起来。4.2非金属夹杂物(NMI)最近的研究认同:炼钢过程的副产品NMI是裂纹萌生的主要部位之一,因而也是WEC的主驱动因素之一。另外,因为其不均匀地分布在整个材料基体中,也促进了裂纹扩展。裂纹通过扩展阻力最小的区域扩展;裂纹起源模式由I型断裂模式主导,而扩展阶段受II及III型断裂模式主导。根据迄今最受支持的理论,裂纹起源于缺陷处(夹杂物或空洞),然后生长,并由于裂纹面的摩擦形成WEC。使用钢的洁净度概念来表示单位体积内夹杂物的数量。根据文献[11],钢的洁净度可能是决定是否形成次表面裂纹的关键因素。该研究中用FAG-FE8试验机试验了推力圆柱滚子轴承。结果表明:仅在滚子上形成了WEC,而未在套圈上观察到任何次表面缺陷,这一现象部分归之于套圈用钢的洁净度较高。不仅不同等级的钢之间而且同一等级的钢中单位体积内夹杂物的数量可能不同。Gould等研究了使用现场的轴承与台架试验试样(2种均由AISI52100钢制成)的显微组织差别,聚焦于两者用钢中所含的夹杂物特征。现场轴承中发现单位体积内夹杂物的数量为520,而台架试验试样的为129。WEC的形成不仅受夹杂物数量的影响,还受其尺寸及形态的影响。大量研究指出夹杂物越小,越不利于裂纹的形成。文献[11]和[26]认为这样的夹杂物是球形氧化物、硫化物及两者的复合物(尺寸2～15μm);文献[12]和[27]发现:次表面失效起源的主要夹杂物是平均尺寸为20μm的硫化锰(MnS)。与之相反,文献[95]认为氧化物及双相夹杂物(氧化物+硫化物)比硫化锰危害更大的原因可解释为:双相夹杂物由一个软的相(硫化物)和一个硬的相(氧化物)组成,其热膨胀系数不同,因而在该夹杂物周围形成拉压应力。根据文献[28],即使两者均由相同等级的轴承钢(AISI52100)制造,在现场轴承钢中发现的夹杂物大于实验室试样的夹杂物,许多这样的大夹杂物是实验室试样中未见到的双相夹杂物。最新的科技文献指出:风电轴承中双相夹杂物很常见,其似乎危害最大。在这种钢中发现了硫化物及氧化物,但其似乎对WEC失效起源的影响不同。关于这点,值得注意的是Evans等对瞬变试验齿轮箱轴承及服役的行星轴承进行了详尽的分析。通过系列切片研究了4例WEC的形成,发现:在所有夹杂物中显示出与WEC相互作用强烈的夹杂物是硫化物及双相夹杂物(硫化物+氧化物)。相反,实验室试样中小尺寸的硫化物占主导,也存在较少的双相夹杂物及氧化物。与WEC形成直接相关的夹杂物处于接触面下100～300μm的深度范围内,该值对应于最大切应力所处的深度。除其他参数外,最大切应力深度取决于表面拖动力。根据文献[42],当存在表面拖动力时,最大切应力位置向表面偏移。关于夹杂物及显微组织变化区形成方面,近几年研究最多的现象是轴承钢中脱粘夹杂物的不利作用。夹杂物与基体间的不良相互作用导致结合界面分离,成为应力集中部位,在该部位扩散的氢保持在被捕获状态并充当裂纹起源者。界面脱粘不仅产生于风电轴承运行期间;在轴承钢淬火期间,钢基体与硫化锰夹杂物的热膨胀系数不同会弱化夹杂物与周围基体的结合力或可能导致夹杂物/钢界面处产生自由表面。文献[42]建立了脱粘夹杂物与次表面失效起源的密切关系,60%的夹杂物脱粘,即使夹杂物也呈现为其他类型的缺陷(微裂纹、WEA、开裂的夹杂物)。文献[96]认同脱粘夹杂物的不利作用,进行了有限元模拟来研究基体与夹杂物的相互作用;获得的结果显示:有脱粘夹杂物时应力集中约增加167%。根据Junbiao等的研究,基体与夹杂物的脱粘程度不同,给出不同的应力集中系数。例如完全结合的颗粒具有相对低的应力集中系数。另外,根据夹杂物的软硬,确立了应力集中系数的差异。在夹杂物完全结合的情况下,软夹杂物的周围应力水平较高。随着基体与夹杂物的脱粘程度增加,缺陷周围产生的应力增加;因而疏孔代表应力增加达到最大的极限情况。根据这些研究,似乎清楚了NMI与WEC形成的关系。关于夹杂物尺寸方面,是小夹杂物危害大还是大夹杂物危害大,还未达成充分一致的认识。无论如何,NMI的密度明显有利于WEC起源及扩展过程。另外,钢基体中夹杂物的状态(即结合状态)对应力集中具有非常显著的影响。由于WEC的三维特征,建立NMI与失效起源的关系是复杂的工作。为了处理这点,许多研究采用了系列切片,从2D元素建立3D模型。4.3残余电流由于电动交通及风能行业的快速发展,近年来对放电引起的轴承损伤进行了广泛的研究。在风电行业常把这种损伤与WEC的形成联系在一起,而其他行业还未引入这种联系。清楚的是:电流的存在并不是形成显微组织变化的主要原因,在很多不存在电流的情况下发现了显微组织变化。然而,不同的研究指出:通过轴承的电流的存在明显有利于WEC的形成。电引起轴承失效的根源在于轴电压及通过轴承的电流。轴电压根据其产生的机理可分为3部分:磁通不对称、静电效应、逆变器感应电压效应。除此之外,通过轴承的电流可分为循环的及非循环的。关于电引起轴承失效的根源的更多信息见文献[97]。当残余电流通过轴承时,有通过发生不同电蚀现象(如振纹、发乌、微剥落)影响轴承零件表面的风险。当轴承以规则的速度运行时,振纹现象形成规则的花样;然而,当轴承以变化较大的速度运行时,表面花样变成称之为发乌的磨痕。这些现象引起滚道及滚动体的表面损伤。在表面形成小的剥落或火山坑,触发新鲜表面的形成。这些新鲜表面的存在是通过在润滑剂中发生摩擦化学反应产生氢的关键参数。文献[33]指出:由于静电放电产生的氢扩散到钢中,从而产生WSF。根据JoergLoos等所进行的试验,杂散电流的来源不仅是电力驱动,还包括静电电荷,这些静电电荷产生于滚子之间、皮带驱动中或风电转子内。对球轴承及滚子轴承所进行的试验证明:杂散电流会引起早期WEC失效,且WEC失效仅发生在与电源负极相连的轴承套圈(阴极)上。文献[100]开发了一个数值模型,对轴承钢中WEC的电热起源进行假设,指出:WEC的形成与电流附近导热不良的碳化物周边的良导热基体被加热而发生的热膨胀有关;由该研究给出的模型预测了碳化物的严重变形以及纳米空洞的出现。迄今为止,已给出了残余电流可能在轴承表面及次表面产生的损伤实例,因此这些损伤可能有利于WEC的形成。杂散电流对润滑剂有负面作用,会增强WEC的形成。润滑剂的退化、微泡效应以及电场诱发的界面应力(称之为电湿性)引起润滑剂效能降低。轴电压及轴承电流为化学反应提供所需的能量,加速润滑剂的退化过程。根据文献[33-34],在润滑剂退化过程中,由于摩擦化学反应会产生自由氢质子,因而增加了一个加速轴承钢中形成WEC的关键因素。与电流会诱发WEC失效的假设相反,文献[102]使用低黏度等级的标准合成齿轮油在混合摩擦状态下进行了圆柱滚子轴承试验,发现:在小的直流电流(25及600μA)下未检测到因轴向裂纹或微剥落引起的早期失效,但检测到因混合润滑引起的磨粒磨损,因此电流的通过似乎并不总涉及WEC的形成。这一现象似乎是在特定条件下才有利于WEC的形成,而且为了澄清什么样的电流值才对轴承不利,需要更进一步的研究。就应对这一现象提出的解决方案而言,其中之一是改善润滑剂导电性。对究竟是高导电性还是低导电性润滑剂是最合适的润滑剂仍有争议。根据文献[103],在使用低电阻率脂润滑的情况下,轴承在化学分解产生的静默放电影响下失效;在使用高电阻率脂润滑的情况下,通过电荷的积累及随后的击穿而发生失效。Suzumura等证明:增强润滑脂导电性会减少振纹,并指出由于形成了导电回路,采用导电脂时滚动接触区的电流密度低于采用非导电脂。在文献[33]中研究了一种为减小放电效应而增加润滑脂导电性的方法,将纳米碳混入润滑脂以增强稳定油膜的形成并提高其导电性,避免了轴承滚动体与内外圈之间的放电。提出的其他应对杂散电流的解决方案是使用氧化物涂层或混合轴承。4.4瞬变工况:滑动接触风电中间轴及高速轴轴承经受苛刻的工况,导致不利的摩擦接触、滑动、振动以及不希望的润滑状态,这些轴承受到风对扇叶的不均匀扰动而产生的不稳定力矩载荷以及紧急停车和与电网连接这样的瞬变工作循环。轴的状态监测显示:中间轴可能每年经受3000次的连接,每次连接产生5次猛烈的力矩翻转(在不到1s内从-800到430),结果是每年15000次的瞬变载荷,因此在中间轴中检测到显著的位移,这些位移的幅值常超过制造商设置的许可值。所有这些方面使轴承经受大的滑动工况。在这样的工况下,由于滚子与滚道间接触面积的同步减小以及拖动力的损失,低载高速状态下的滑动值为(20～110)%SRR。根据文献[106],由于称之为Heathcoat滑动的现象(这一现象将在下文详述,且使用了术语Heathcote;概念相同但保留了每位作者使用的术语),风电齿轮箱中间轴及高速轴轴承一直经受(3～10)%SRR,其是轴承几何约束的结果。轴承中一定程度的滑动不可避免。发生这种现象是因为非承载区滚子的不对中以及低的拖动力和瞬变事件,如加速、减速、静止。这些瞬变事件的另一个显著后果是轴承经受振动,振动主要由扇叶的转频、吊舱的变形以及与发电机连接引起。假如转子不转动,会发生小的振动,导致微动磨损。关于WEC产生达成的少数一致意见之一涉及法向载荷(接触应力)的影响,无数研究显示:大的载荷不是产生WEC的必要条件。试验所用的接触应力为1.20～2.15GPa。文献[108]评估了行星轴承的加载和卸载状态。迄今为止,已知轴承的过载对其疲劳寿命不利,但卸载状态的影响一直未仔细研究。该研究透露行星轴承61%的时间在低于最小额定载荷下工作;欠载状态下,轴承的作用力不足以达到维持滚动所需的拖动力,因此促进轴承的过度滑动。总之,可以说轴承的卸载状态引起滑动接触,当然会通过不同的过程利于WEC的产生。关于法向载荷,出现的另一个问题是动载荷还是恒定载荷更不利?文献[107]指出:在FE8试验中WEC的形成取决于摩擦加载,因而在给定运行时间内恒定载荷具有比动载荷更高的能量输入。根据下面给出的模型,能量输入越高,产生WEC的概率越高。瞬变及冲击工况对润滑产生不利影响。在不同速度和载荷的不同阶段工作的齿轮箱中使用了一种单一润滑剂,中间轴及主轴的低速使合适的摩擦膜难以形成;相似地,紧急停机或开关机导致润滑不足。达到一特定的λ值确保接触面的分离似乎是防止WEC类失效的关键,几个研究指出:导致边界润滑状态的低λ值是促进WEC形成的主要因素之一。随着λ降低,形成的新鲜表面增加,通过促进润滑剂与新鲜金属表面间的摩擦化学反应而有利于原子氢的产生。如前所述,在瞬变及冲击工况下风电轴承滑动是主要后果之一。为了再现滑动工况,广泛使用了FAG-FE8试验机或具有相似布局的试验台,主要试验推力滚动轴承。在这些试验中,由于图7所示的称之为Heathcote滑动的现象,轴承经受约±14.8%的滑动。在滚子与推力片的接触区中,产生负和正滑动区;在接触区中心为纯滚动。在相对运动的两物体之间出现滑动,称之为从动件的两物体之一速度较低并经受负滑动,对偶件处于正滑动状态。图7显示出正负滑动的推力圆柱滚子轴承的接触区,表述了Heathcote现象另外,为了建立接触区产生的滑动与WEC形成的关系,进行了许多尝试。始终应注意:无数研究报道显示WEC更大程度上在负滑动状态下产生。根据文献[22],这可能是由于:1)在负滑动状态下,大量材料经受更高的交变应力(图8);2)从严格的直观感觉而言,负滑动区中裂纹可更快地生长及扩展。文献[110]指出:假如存在一条裂纹,其会在接触前张开让润滑剂进入;一旦润滑剂进入裂纹,裂纹会由于接触而闭合,使其内的液压增加,有利于裂纹的生长。这一理论似乎在假设表面WEC起源的情况下有意义。相反,假如所关注的裂纹为次表面起源(如大多数文献所指出的那样),这一理论就没有太多价值。在这种情况下,产生的应力值较高以及其交变特性是对负滑动区中存在较高比例的WEA的合理解释。对此应额外考虑文献[30]所提出的内容,即负滑动区下次表面处的氢含量高于正滑动区,这是由于负滑动区产生的摩擦能积累较高。文献[84]支持这一事实,其证明:不存在滑动时就无氢的渗透。在以下段落中使用了摩擦能的概念,其直接与滑动比有关。图8正负滑动区产生的应力的分解图表WEC的形成似乎与滑动、振动、难以形成摩擦膜等现象有关。科技文献试图在单一模型下将这些现象的影响统一起来,以有助于预测WEC的形成。为此,Ruellan等首先提出了称之为局部摩擦功率强度的参数,其与局部接触应力和局部滑动速度的积成正比。随后,Greco和Gould提出了称之为累计摩擦热能的概念,其包含了滑动速度、摩擦因数、法向载荷及试验时间。最后,Loos及Kruhöffer提出了称之为粗糙摩擦能积累的新参数,其定义为局部粗糙度水平应力、粗糙度水平摩擦因数、滑动速度及接触停留时间与再产生接触的时间(定义为滚动体重复通过轴承滚道面期间连续接触循环之间的时间间隔)之比的积。尽管作者努力要开发一个预测WEC形成的可靠理论,但这些模型并不总是可靠。文献[30]中就有一个明显的实例:试验结果与Greco和Gould提出的模型不匹配。文献[30]将高应力下的RDM试验与FE8试验及四球试验进行了对比,虽然RDM试验中摩擦能积累高于其他2种试验,但在RDM试样中未发现WEC,而另外2种试验中形成了WEC。文献[7]否定了以上给出的3种模型,其声明:接触疲劳损伤具有累积特征,而不是突发灾难特征,即裂纹的产生与扩展需要施加一定次数的应力循环。似乎清楚的是:迄今为止所展示的模型本身不能提供WEC形成机制。因此,未来预测WEA形成的模型应考虑与润滑相关的现象(如氢扩散)的影响以及随着应力循环通过特定材料区域所经受的应力过程。4.5风电轴的波纹度假如一套轴承与带波纹度的轴配合,其会适应轴的形状,因而会因不合适的配合在内圈上产生不均匀的应力分布。这种不期望的接触条件会导致早期失效,如微动腐蚀。通过有限元分析可证明:轴的波纹度会增加靠近滚道面区域的拉应力,根据Ⅰ型断裂,其会导致裂纹在晶格缺陷处萌生。因此,轴的波纹度会促进微动腐蚀、裂纹萌生等不希望的现象。在风电齿轮箱轴承中就已发现这2种事件同时发生,在该轴承内圈上观察到微动腐蚀带,在相同区域的次表面发现WEC及滚道轴向裂纹。因而,轴承套圈中诱发的周向应力是夹杂物处萌生次表面裂纹的危险因素。4.6温度温度本身不能产生WEC,但其具有激活或失活其他WEC驱动因素(主要是化学驱动因素,如润滑膜厚度、润滑剂的添加剂、摩擦膜形成与磨损间的平衡或润滑剂的吸湿与介电性能)的能力。温度对润滑剂的黏度具有强烈影响,因而会显著影响摩擦膜厚度。当润滑剂在高湿环境下工作时可能发生水污染;若再加上高温综合作用,水污染就更容易发生。关于产氢方面,金属-金属接触处产生的闪温在提供水分解所需的能量方面起着关键作用,水分解得到氢原子,氢原子可扩散到钢中并触发氢脆,因此启动WEC过程。5研究WEC失效的试验程序再现风电齿轮箱轴承的真实工况是困难且花费大的任务。另外,WEC是一种复杂现象,因此在实验室规模以可控的方式再现并研究WEC是一种挑战。因而,考虑到比例试验通常存在的局限性,在实验室规模使用简化的替代方法来模拟试样或基础件中的WEC失效。迄今所进行的试验可分为两类:使用简单几何形状试样的摩擦仪试验及使用实物轴承的轴承台架试验。摩擦仪试验由在可控条件下再现摩擦接触的基础试验组成,其优点是可单独再现及研究不同WEC驱动因素的影响,一般比滚动轴承台架试验便宜且快捷。在实物轴承试验时,接触及工况状态更接近真实状态,但驱动因素的控制更复杂。本章论述了迄今为止在实验室中用于产生WEC的主要试验机结构及摩擦仪,如PoD、盘-盘、MPR;另外,论述了轴承试验机上所进行的主要试验。每节讨论了不同研究的结果。5.1摩擦仪及试验机结构5.1.1PoD销-盘摩擦仪结构广泛用于研究静态加载条件下材料相互滑动时的摩擦和磨损。文献[115]使用改进的PoD摩擦仪(图9)来形成WEC,其用动载荷代替静载荷,试验机加载臂中心点可绕枢轴转动,两端分别与球试样和循环加载机构连接。通过凸轮及随动机构对载荷进行动态调制,凸轮连接一台附加电动机,电动机具有可调的转速以调整动态加载的频率。在初步研究驱动因素对风电齿轮箱轴承中形成WEA的影响时采用这种试验机,因为风电轴承常经受高达约±110%的滑动,FE8试验达不到该值,其滑动值约±14.8%。摩擦能的产生导致活性新鲜金属表面的强烈形成,随后由于严重的滑动及粗糙摩擦而使润滑剂分解,作为润滑剂分解的副产品的氢的产生是钢氢脆的根本原因之一,因而也是轴承中WEA/WEC失效的根本原因之一。图9改进的动载荷PoD摩擦仪示意图在文献[115]中,WEA产生于次表面,且发现:采用产氢多的润滑剂润滑条件下,PoD的纯滑动作用以及循环压应力和切应力加速WEA形成,其发生于早期报道的总接触循环次数的1/10以内。同一研究小组进行了另外一个试验,使用相同的试验机了解载荷频率及产氢对WEC的影响。进行了数次试验,其中一些试验使用产氢方面比较稳定的润滑剂,而另一些试验使用了有利于产氢的溶液;试验中的载荷频率为1.5～4.5Hz。结果清楚地显示了高的载荷频率及产氢量如何加速WEC的形成。Manieri等使用正常布局的PoD试验机来模拟裂纹面的摩擦,以研究通过这种机制形成WEC的可行性。对于一条已存在的裂纹,裂纹面粗糙,在载荷下裂纹面被压在一起并随着接触滚过裂纹而经受相对摆动位移。因此,通过载荷下一轴承钢试样在另一个试样上的小幅摆动应该可模拟裂纹面的摩擦。试验中使用了2种油(商品机油及PAO基润滑油),并在无润滑条件下进行了一次试验,所有试验均形成了WEA。因此,他们提出:法向载荷下AISI52100钢裂纹面摩擦会产生与WEA相关的显微组织转变。5.1.2MPR英国PCS公司生产的微剥落试验机作为商用MPR是最近所用的产生WEC的试验机之一,其由R.Graham等通过一系列研究程序开发,该试验机利用了三环-滚子接触布局,如图10所示。直径12mm的滚子(试样)每转经受3次接触循环,因此该试验机能产生1×106r/h以上的接触循环。滚子与相距120°布置的3个环接触,因此在与每个环接触时产生相同的作用力;环的直径为54mm;使用一步进电动机和一加载臂通过上环施加载荷,系统可让载荷在0～2000N变化;接触应力可变,取决于试样接触几何,实际接触应力在4.8GPa以内。环及滚子由单独的电动机驱动,因此有可能得到特定的SRR。试验时可选择溅油或油浴润滑。图10带有加载系统及油槽的MPR示意图使用2支热电偶测量润滑剂温度:其中一支测量油槽内温度,另一支测量靠近接触区的温度。使用一压电加速度计测量运行时接触区的振动,一旦达到某个限值则自动停止试验。围绕WEC驱动因素的争议清楚地反映在使用MPR所进行的研究中。关于哪个因素是主驱动因素,仍未有统一意见。因此,使用MPR研究了多种驱动因素,如润滑剂(氢)、摩擦能积累、接触应力、滑动、钢的等级或接触几何。近年来也发展了与摩擦能积累概念相关的理论,这些理论建立了摩擦能与WEC产生的紧密关系(见4.4节)。然而,文献[7]提出了反对意见,该文比较了由在不同试验设备上进行的不同试验所得到的摩擦能积累的数值,3种试验机为FE8试验机、四球试验机(FBT)及MPR。在FE8及FBT试验中形成了WEC,而在MPR试验中未鉴别出任何显微组织变化。与摩擦能积累模型所期望的相反,MPR试验中的能量值高于其他2种试验。值得注意的是:还有一些MPR试验(如Gould等所进行的试验)中形成了WEC,且与FE8试验相比具有更高的能量值。建立WEC形成与摩擦能联系的更多理论也被文献[7]否定,Manieri等从数值角度解释了否定这些理论的理由,即最近作为WEC是否发生的判据而提出的摩擦能或摩擦功参数不能预测其研究中的试验观测结果。MPR研究最多的因素之一是润滑剂对WEC的影响。在文献[20]中用不同的添加剂包配制了8种润滑油来研究这些添加剂对WEC的影响。使用MPR进行试验的条件:SRR为-30%,接触应力为1.9GPa,卷吸速度为3.4m/s,油温为100℃,λ为0.5。结果显示每种油所达到的寿命明显不同。根据这一研究及这一特定的试验条件,油的类型与WEC的形成有直接关系。文献[21]研究了5种配方的油(MPR试验),结果再次显示出油对WEC形成的影响,尤其是仅添加ZDDP的油为危害最大的润滑剂。文献[21]的试验条件:SRR为-30%,接触应力为1.9GPa,卷吸速度为3.4m/s,油温为100℃,λ为0.5～0.8。文献[7]进行了一批试验,目的是分离润滑剂对WEC的化学影响,因此尝试对所有试验设置相同的摩擦因数,即将试验移至Stribeck曲线上的同一点。用不同的油在相似的摩擦条件下进行了4次试验,结果显示:所有试验均形成了WEC。因此提出:使用低标油不是形成WEC的必要条件,且润滑剂的化学成分不是WEC形成的关键影响因素。回顾迄今得到的所有结果,仍不清楚润滑剂究竟有什么样的影响。然而,根据文献[7]和[20-21]所用的试验条件可得出如下假设:能解释WEC产生的试验条件的唯一差别是λ值的不同。在MPR试验中,不论采用何种油润滑,形成WEC时λ<0.15;而在WEC产生与否取决于所用润滑剂的其他研究中,λ为0.5～0.8。因此,本文作者提议:在某些润滑(λ<0.15的边界润滑)条件下,所用的润滑剂不影响WEC形成,如文献[7]所示的情况;然而,若润滑条件更为有利(λ>0.5),则润滑剂影响WEC形成,如文献[20-21]所示的情况。与MPR试验及WEC产生有关的另一个公开的争议是接触几何的影响。根据文献[7],线接触几何会在运行开始阶段在材料中引发某种应力过程,导致在这一时间段形成WEC。为支持其理论,进行了4次椭圆接触几何试验,试验复制了产生WEC的线接触试验条件;没有任何椭圆接触试验产生WEC。就像在这种失效模式研究中常见的那样,一年后Rydel等发表了一项研究力挺润滑剂对产生WEA的影响,不管采用什么样的接触几何;该研究中采用不同润滑剂试验了2个具有椭圆接触几何的试样。应注意的是:在这种情况下,并未满足作者以前所给出的关于λ值对产生WEC的影响的假设。产生WEC的试验的λ值高于其他试验。尽管仍有未解开的矛盾,本文以及文献[20]的作者认同Menieri等的观点:由于接触几何在钢中诱发的应力过程是可导致WEC失效模式的因素,不管采用什么样的润滑剂。钢的显微组织对WEC的影响是MPR研究的另一方面。文献[72]在已知促进WEC形成的运行条件下试验了两类钢:全淬硬钢和表面渗碳钢。根据结果,表面渗碳钢的寿命比全淬硬钢长2.3倍,认为这是由于渗碳过程产生的试样中残余压应力及高的韧性。以下仅为使用MPR研究WEC的另外2个实例。文献[28]再次展示了钢种对发生WEA的影响。使用AISI52100钢进行了一系列试验,但某些情况下这种钢与风电轴承所用的钢完全相同,而另外一些情况下使用了与制造实验室试样相同的钢。在分析这2种钢时,发现夹杂物存在显著差异(更多信息见文献[28])。相似的研究分析了残余奥氏体对WEC形成及扩展的影响(见6.1节)。5.1.3盘-盘盘-盘试验也称之为双盘试验,由分别安装在两单独轴上的滚轮组成,两根轴由不同的电动机驱动,以设置特定的SRR,在法向载荷作用下两滚轮发生接触。可使用不同的润滑系统:油浴润滑和溅油润滑。一般可测得摩擦因数、切向力及接触区温度。试验中所用试样可以是机加工试样,也可以是轴承套圈实物。在使用机加工试样的情况下,试样常用典型的轴承钢100Cr6(AISI52100)制作,残余奥氏体含量不同;也可见使用其他钢种,如100CrMo7或20NiCrMo7(一种渗碳钢)。可使用不同类型的试样进行RCF试验。一个好的实例是由Arnaud等进行的研究,该试验中接触轮廓、夹杂物取向、应力状态或试样的粗糙度均可变化。为了模拟椭圆接触并得到一个圆形Hertz接触区,滚轮轮廓可分别修整为半径17.5mm及200mm的圆弧。修整滚轮轮廓可影响接触应力,因而这种变动很重要,因为有时设备施加的载荷有限而可能成为限制因素。在同一研究中可见如何修整试样的另一个实例,为了改变接触区附近的应力状态,在试样圆周打了数个孔。在迄今所发表的科技文献中给出了数个使用不同双盘配置的实例。其中之一是Oezel等用ZF型改进滚动接触疲劳试验机进行的研究,该试验由3个放置在试样周围的从动滚轮构成,试样安装在驱动轴上;通过一个连接在悬臂上的液压活塞施加径向载荷。试样直径为36mm,其工作面宽度为3mm。采用这一宽度,接触应力可变化至高达3400MPa。除此之外,轴转速可设置为1450r/min,也可设置为高达3600r/min。不同试验间常变化的另一个重要参数是SRR,在这里被设置为7.9%。润滑膜厚度为1.0～1.4μm,油温设置为60℃。这些试验中常用的停机参数是由振动传感器测得的振动值,其设置为0.75mm/s。为研究氢对WEC的影响,一般使用预充氢程序来诱发试样的脆性后进行试验。科技文献中给出了不同的预充氢方法,Oezel等使用0.05MH2SO4+1.4g/LCH4N2S作为电解液,试样在不同的电流(1,3,5mA/cm2)下浸泡24h,以得到不同的氢含量。丹麦理工大学机械工程系的研究人员使用了如图11所示的试验机。试样安装在两锥形轴上以改善配合。每根轴由一单独电动机驱动,以0～50Hz的频率转动,产生可控的滑动状态,此处两试样的转速相同(2280r/min),滑滚比为0,即纯滚动。通过液压缸施加法向载荷,环形试样表面在1650MPa的最大接触应力下发生接触(接触半宽0.55mm)。入口油温为35℃。有趣的是,通过将试样安装于不同的轴向位置可使其承受不同的环向应力(350,440,540MPa)。像本节的第一个实例,通过将试样浸泡在50℃的硫氰酸铵水溶液中48h对其预充氢。一旦充氢完毕,就将其安装在轴上,且试样由于过大的脆性而断裂。因此,改变预充氢程序,硫氰酸铵水溶液的浓度由20wt%降为12wt%,浸泡时间也从48h减为24h。试验系列见文献[116]。双盘试验另一个好的实例是Guzmaon等进行的研究。研究中使用了2个径向圆柱滚子轴承的内圈,每个内圈由单独的伺服电动机驱动,可在多个SRR值下进行试验。使用与上圈相连的加载杠杆加载;通过油浴润滑系统进行润滑。试验一直进行到某个特定的循环次数或超过某个振动水平为止。为了评估润滑状态及SRR对WEC形成的影响,进行了6个试验。前4个试验在充分流体油膜润滑状态下完成,每个试验中的SRR分别设置为0,8.3%,8.3%及12.7%,以此再现轴承滚动体与滚道间的实际滑动。SRR为0(纯滚动)的试验1模拟推力轴承接触区中心的状态,SRR为12.7%的试验4模拟接触区外侧的状态。后2个试验在边界润滑状态下进行,根据文献所给出的试验选择润滑状态。为此,降低了两圈的转速,提高了温度及接触应力。关于该研究的更多信息见文献[22]。图11所示的最后一个盘-盘试验由Evans等完成,使用了与文献[22]类似的配置,但试样为机加工试样。如前所述,试样安装在由单独电动机驱动的2根轴上,可设置一个可控的SRR值。像前面的研究一样,一些试样充氢。Evans进行的研究中汇聚了所有的相关试验条件。图11不同的再现WEC的双盘试验机结构。试验机示意图分别来自:(a)文献[44];(b)文献[116];(c)文献[22];(d)文献[10]下节总结了4个双盘试验的结果。在Oezel进行的研究中,26个试验中仅3个未发现WEA或WEC的形成。3个试验其中之一的试样在充氢后直接分析,以评估试样中预充的氢是否会对材料产生不利作用;另2个试验在表面出现可见的损伤前人为停止,以研究WEC形成的早期阶段。发现WEC失效的最短试验持续了8.2h。在Ole进行的研究中再次使用氢来激发WEC失效,试验期间17个失效试样中仅3个未显示WEC或WEA失效。Hertz应力区表面下方40～500μm的深度处(因而也是期望的最大切应力处)发现了WEC。值得注意的是,失效时间最长的试样中发现的WEC并不靠近表面。关于环向拉应力水平差异方面,观察到试样发生WEC失效的循环次数随环向拉应力水平的提高而减少,这就强调了环向拉应力对轴承内圈疲劳寿命的不利作用。在完成预充氢试验后,进行了无氢且循环次数高的试验,未发现WEC形成,因而,可划归为氢是WEC形成的主驱动因素之一的研究类别中。并不是所有情况下都使用预充氢的方法来产生WEC失效,一个好的实例就是Guzman等所进行的研究,采用不同的SRR值在1.2GPa的接触应力及充分流体油膜润滑条件下进行了4个试验,既没有观察到表面损伤,也没有观察到WEC失效;在此之后又进行了另外2个试验,研究了边界润滑条件下滑动的影响,仅在最不利的状态下(文献[22]的试验6)产生了WEC失效。有趣的是,试验6没有使用氢,因此该研究认为不用预充氢也可产生WEC失效。从最近的一个实例得到的结果列于文献[10],这里仅给出了主要结论:1)对于在最大接触应力2GPa下耐久性超过208h的情况,蝴蝶组织的形成与可扩散氢的含量无关;2)发现了WEA/WEC优先起源于夹杂物处的强有力证据,由于夹杂物的密度高,夹杂物充当小裂纹和WEC形成的连接器,导致较大的裂纹网,最终达到表面,诱发WSF;3)大多数WEA起源于MnS,MnS+氧化物以及尺寸为1～10μm的小球形氧化物夹杂处。这些试验揭示了不同驱动因素(如氢、环向应力或夹杂物)对WEC形成的显著影响;此外,由这些结果可得出结论:不采用预充氢试样也可能产生WEC。这并不意味着接触区没有氢存在,如润滑剂退化产生的氢。5.2滚动轴承试验机-RCF试验再现WEC失效的方法之一是使用轴承试验机进行RCF试验,与试验具有特定形状及材料的试样的摩擦仪不同,台架试验的是轴承实物。最常使用的试验台架之一是根据DIN51819标准化的FAG-FE8试验机,应注意:在轴向载荷下FE8试验机上轴承所经受的运动学不同于风电齿轮箱轴承,但也有相似性。例如FE8试验的轴承经受14.8%的滑动以及纯滚动接触,类似于风电齿轮箱轴承由于几何约束而经受的连续滑动(3%～10%);FE8试验的轴承与发生WSF的风电齿轮箱轴承之间的另一相似之处是两者均为边界/混合润滑。在边界/混合润滑状态下钢表面的接触会引起金属-金属接触、磨损及摩擦化学反应,释放出氢并扩散到轴承钢中。FE8试验机的剖面图如图12所示,可通过板簧组(FAG-FE8试验机)或液压缸对轴承施加轴向载荷,取决于试验机的布局。就所涉及的润滑系统而言,可以是油浴润滑,也可以是溅油润滑。可试验不同类型的轴承(从滚子轴承到球轴承),改变与轴承连接的内部夹具即可。油温及轴承座温度可控,驱动轴能以特定的速度旋转。在套圈的内侧及外侧区域,滚动体与滚道间存在滑动状态;在套圈的内侧区域发生负滑动,因为该处滚动体表面速度高于轴承套圈滚道表面速度,在外侧区域将发生正滑动,仅在接触区中心发生纯滚动。可通过一绳轮连续测量摩擦力矩。试验一般进行到轴承失效,失效可通过轴承中发生的高水平振动来检测,尽管也可设定某个循环次数来终止试验。图12球轴承试验用FE8试验机布局实例使用FE8试验机所进行的大多数研究选择了似乎可促进WEC形成的工况条件。轴向载荷选取60～80kN,产生的接触应力为1.2～1.9GPa;转速设置为750或300r/min。转速变化对轴承寿命有明显的影响,750r/min下进行的试验一般显示出约20h的寿命,而300r/min下的寿命会延长到约200h。所有研究中最稳定的值毫无疑问是温度,设置为100℃,该温度代表轴承安装处轴承座的温度,因此可认为接触区的温度超过该值。除标准工况外,也常用称之为WEC危险油的具有高添加剂含量的油。由于工况所决定,轴承运行在边界或混合润滑状态下。在标准条件下进行的试验大多显示出WEC形成于滚子及滚道的次表面,WEC常位于负滑动区域。因为一些研究报道了WEC在正滑动区形成,所以可认为裂纹起源于负滑动区而后延伸到正滑动区(见4.4节)。值得一提的是Evans等所进行的研究,仅在滚子上检测到WEC的形成;试验条件为:60kN/750r·min-1/100℃/WEC危险油,寿命约20h。这些研究暴露出WEC在滚子形成的3个可能的原因:1)与滚子相比,套圈用钢的洁净度更高,这些研究中的洁净度分析依据ISO4967-B进行,测量了NMI密度;2)套圈中不存在有利于WEC形成的氢;3)滚子与套圈的硬度差,套圈硬度比滚子低23%,因套圈韧性高而不易开裂。在减少产生WEA的晶间次表面裂纹及后续的裂纹面移动方面,突出了高韧性的重要性。在一些研究中选定改变滚道的表面精度或钢种。文献[31]试验了具有不同表面精度(砂光及精研)的3种钢(AISI52100标准钢、贝氏体热处理的AISI52100、AISI3310渗碳钢)制轴承;试验条件为前述的标准条件(60kN/750r·min-1/100℃/WEC危险油)。结果显示:标准轴承在期望的小时数失效。另外2种钢制的具有精研表面的轴承产生了WEC但寿命不同,AISI3310钢制轴承具有较高的小时数;在表面砂光的情况下,任何一种钢(贝氏体热处理的52100及3310渗碳钢)制轴承未产生WEC且3310钢制轴承仍表现出更好的性能。因此,3310钢似乎改善了轴承抵抗WEC产生的性能,并且显示出表面状态对这种失效模式具有显著的影响。采用轴承试验机进行RCF试验研究的另一个因素是润滑剂的影响。文献[18]使用了3种润滑剂:1)称为WEC危险油的商用SAE75W-80齿轮油,其含大量添加剂;2)无添加剂的矿物油;3)不含添加剂但加水的矿物油。轴承载荷为60kN(接触应力为1.9GPa),轴承温度设置为100℃,轴转速为750r/min是以前产生WEC的已知工况。注意该研究的结果很有趣。使用WEC危险油意味着比使用矿物油减少5%的寿命,WEC危险油在沿接触线的各摩擦表面上产生微型线状裂纹。在滑动区由WEC危险油产生的摩擦膜主要由添加剂元素组成,而水污染矿物油则呈现出不同的摩擦膜,由铁的氧化物组成。仅当使用WEC危险油时才形成WEC,且裂纹仅在产生WEA的负滑动区形成。在负滑动区,由于拖动力施加于滚道移动的方向,裂纹面相互摩擦引起WEA沿裂纹形成。使用含水矿物油润滑剂触发氧化并引发微剥落。5.3试样分析在试验前、后应对试样进行分析。试验前进行试样分析或表征的目的是了解化学成分或存在的有害化合物,如硫或碳,可通过燃烧分析确定。燃烧分析技术是基于在1000℃的温度下用纯氧将试样完全瞬间氧化。元素(如氧、氢)可通过热吸附分析(TDA)确定。其他重要的方面是了解残余奥氏体含量,通过X射线衍射分析测量。粗糙度测量是进行WEC研究的重要前期步骤,因为精加工不良的表面会引发材料的早期磨损,引起表面剥落及裂纹萌生源,当试图了解WEC的起源及扩展时,这一事实会引起混淆。实际上,作为试验前、后的表征措施,为了解润滑剂的退化程度而进行的金属元素及含水量的测量具有重要意义。值得强调的是,试验后表征是了解试样中WEC失效的起源及扩展的重要工具。最关键的事项之一是确定哪些区域会受到WEC的影响,因为有时试样中不存在任何的表面损伤证据或证据极其有限,所以难以鉴别缺陷的起始点。之所以如此是因为WEC是三维发展的缺陷,了解其何处开始和何处结束是一项复杂的工作。如前所述,在任何情况下WEC