В течение последних четырёх лет SKF активизировала научно-исследовательскую работу в отношении белых трещин травления для выяснения роли этого явления применительно к контактной усталости при качении подшипников, а также ускоренного усталостного изнашивания (преждевременного выкрашивания). В то время как эта проблема продолжает обсуждаться в материаловедении, результаты работы SKF уверенно подтверждают, что белые трещины травления появляются в конце цепи неисправностей как естественное следствие образования сетки трещин в подшипниках, преждевременно вышедших из строя. Белые трещины травления рассматриваются скорее как признак неисправности, а не как основная причина усталостного разрушения. В данной публикации представлен обобщённый взгляд экспертов SKF на тему белых трещин травления и преждевременного выхода подшипников из строя. Кроме того, в ней даётся определение белых трещин травления, обсуждаются причины их возникновения, а также приводится схема всех причин неисправностей, вызывающих образование таких трещин.

Белые трещины травления

Белые трещины травления появляются в микроструктуре подшипниковой стали. Они характеризуются областями белого травления. Под белым травлением понимаются белые следы изменения микроструктуры полированного и протравленного стального образца. Материал соответствующих областей содержит слой сверхтонкого нанокристаллического безуглеродистого феррита, либо феррита с высокодисперсным распределением карбидных частиц. Области белого травления формируются за счёт аморфизации поверхностей трещин вследствие трения при перекатывании тел качения. Эти области выглядят белыми под оптическим микроскопом по причине слабой реакции с травильным раствором. Области белого травления вокруг трещин на 10–50 % твёрже окружающей незатронутой микроструктуры.

Причины образования белых трещин травления

Белые трещины травления – контактная усталость при качении

Известно, что перед выходом из строя малогабаритные, тяжелонагруженные подшипники, работающие в течение длительного времени (очень высокая циклическая усталость), проходят несколько состояний усталости [7]. На первом этапе приработки происходит микропластическая деформация, механическое упрочнение, в результате чего увеличиваются остаточные напряжения. Во время приработки микропластическая деформация сглаживает неровности поверхностей подшипника. После приработки на протяжении большей части срока службы подшипника происходит постепенное изменение его микроструктуры [8]. На этом этапе микропластическая деформация влияет на распределение карбидов [9][10]. Также возможен распад остаточного аустенита, и все микроструктурные изменения сопровождаются увеличением остаточного напряжения. На последующем этапе развития контактной усталости при качении встречаются области тёмного травления (DER), а также полосы белого травления с большим (HAB) и малым углом (LAB) (рис. 4 слева). Хотя полосы с большим и малым углом также относятся к белому травлению, внешне они отличаются от неравномерных белых трещин травления на преждевременно вышедших из строя подшипниках. Это указывает на то, что образование неравномерных белых трещин травления не имеет отношения к контактной усталости при качении. Однако кристаллическая микроструктура этих областей белого травления не сильно отличается от аналогичных областей, наблюдаемых в случае преждевременного выхода из строя.

Применительно к средне- и крупногабаритным подшипникам указанные выше явления могут проявляться иначе, чем для малогабаритных тяжелонагруженных подшипников. Подобно другим механическим компонентам, отказы средне- и крупногабаритных подшипников обычно обусловлены выходом из строя наименее прочного элемента (например, с отклонениями в структуре материала, такими как посторонние включения и пористость). Согласно ISO/TR 1281-2:2008, для подшипников со средним диаметром более 100 мм предел усталостной прочности уменьшается с увеличением размера подшипника. Кроме того, если сравнивать воздействие контактного давления на мало и крупногабаритные подшипники, то в последних возрастает соответствующий объём напряжения, а также отрицательное влияние элементов с наименьшей прочностью. В качестве примера можно привести обычные для всех подшипниковых сталей включения [11]. Дополнительным фактором является само контактное давление. В примере на рис. 4, где присутствуют полосы износа с малым и большим углом, наблюдалось сравнительно высокое контактное давление (> 3,2 ГПа). У многих средне- и крупногабаритных подшипников фактическое контактное давление значительно ниже 3 ГПа, что означает другие условия усталостного нагружения. Это вызывает менее обширные и в большей степени локальные повреждения вокруг неметаллических включений.

О белых трещинах травления и следах тёмного травления сообщалось в материалах о подшипниках с усталостью в зоне контакта качения ещё в начале 1960-х [12], а в компании SKF – в 1980-х гг. [13]. Последующие исследования преждевременно вышедших из строя средне- и крупногабаритных подшипников (как ускоренные испытания на долговечность, так и ресурсные испытания) подтвердили, что контактная усталость подшипников при качении обычно сопровождается появлением увеличенных неравномерных сеток белых трещин травления (рис. 4 справа).

Белые трещины травления – ускоренная усталость (преждевременное выкрашивание)

Преждевременное выкрашивание (в отрасли широко известно как белые трещины травления) отличается от обычной контактной усталости подшипника при качении продолжительностью периода времени, в течение которого возникают различные события, предшествующие выкрашиванию (рис. 5). Вместе с тем, при сравнении с ресурсными испытаниями или обычной контактной усталостью при качении , преждевременные отказы зачастую связаны с возникновением трещин в нескольких местах/областях, как показывают результаты анализа выхода подшипников из строя.

Возникновение трещин в подшипниковой стали обусловлено различными причинами, а высокие напряжения и потеря прочности из-за внешних воздействий ускоряют этот процесс (рис. 6).

Величина напряжений, действующих на подшипники, может превышать номинальные значения. Примеры таких ситуаций:

• Кратковременные тяжёлые нагрузки из-за резких динамических или температурных воздействий становятся причиной структурных деформаций и связанного с ними сильного преднатяга, кромочных нагрузок и т. д.
• Структурные напряжения основного материала подшипника (например, вызванные отклонениями формы, перекосом или другими причинами) увеличивают общее напряжение материала [14].
• Возникновение повышенных напряжений, действующих на дорожках качения, может быть также обусловлено сложными трибологическими условиями в контакте качения (такими как, например, недостаточная толщина смазочной плёнки и/или условия проскальзывания) в сочетании с определёнными смазочными материалами [15].

На прочности материала подшипника могут отрицательно сказываться внешние факторы воздействия с возможным выделением водорода [16]. К ним могут относиться:

• загрязнение водой;
• коррозия [17];
• паразитные электрические токи.

В этих случаях даже умеренное нагружение может приводить к преждевременному выходу подшипников из строя.

Факторы, способствующие развитию ускоренной усталости и имеющие отношение к повышенным напряжениям и снижению прочности материала, были исследованы в ходе специализированных испытаний подшипников, проведённых специалистами SKF.

После образования очагов трещин (иногда в связи с появлением областей тёмного травления (DER)), истирание поверхностей трещины [18]–[22] приводит к перемещению материала с одной её стороны на другую. Трещина становится извилистой, и на её начальной стороне накапливается микроструктура белого травления.

Образование области белого травления также зависит от подповерхностного направления трещины, которое определяется действиями внутренних усилий и режимами деформации. Поэтому области белого травления (WEA) чаще встречаются в горизонтально направленных трещинах (параллельных дорожке качения), и реже – на вертикально направленных фрагментах (рис. 7). Помимо этого, на образование областей белого травления (WEA) дополнительно влияет пространство между поверхностями трещины, количество циклов напряжения, а также внут­реннее напряжение материала.

Примеры образования белых трещин травления из-за повышенных напряжений

На рис. 8, 9 и 10 приведены примеры образования белых трещин травления из-за повышенных напряжений. Представленные на рис. 8 и 9 результаты получены на испытательном стенде для подшипников, конструкция которого предусматривает возможность создания искусственных структурных напряжений или деформаций посадочного места подшипника за счёт волнистости. Это приводит к возникновению локальных растягивающих напряжений внутреннего кольца подшипника. Испытания проводились на цилиндрическом роликоподшипнике с внутренним кольцом (диаметр отверстия 220 мм), которое установлено с нормальной посадкой на втулку с пятью выступами для создания волнистости. При этом втулка была посажена на вал с натягом. Такая волнистая втулка, изготовленная способом твёрдого точения, формирует пять зон растягивающих напряжений величиной около 205 МПа у поверхности дорожки качения внутреннего кольца. Испытанию подвергался двухрядный цилиндрический роликоподшипник с модифицированной конструкцией, оснащённый одним рядом из восьми роликов (вместо двух рядов из 24 роликов) в центральной части внут­реннего кольца. Такая модификация потребовалась для адаптации к возможностям испытательного стенда с целью получения требуемого контактного напряжения (рис. 8). Материал подшипника – сталь SAE 52100 (100Cr6). Микроструктура подшипника – отпущенный мартенсит с содержанием остаточного аустенита не более 7 % (по объёму) с твёрдостью 62 HRC.

Подшипники испытывались при максимальном контактном давлении по Герцу 1,8 ГПа и величине каппа около 2. Испытания продолжались до выхода подшипников из строя.

Один подшипник вышел из строя с одной видимой осевой трещиной на дорожке качения через 1150 часов (что соответствует 6,35×10⁸ циклам напряжения) на втулке с пятью выступами для создания волнистости. Второй подшипник вышел из строя с двумя видимыми осевыми трещинами через 1570 часов (что соответствует 8,67×10⁸ циклам напряжения). Расположение осевых трещин по окружности совпадает с одним из выступов волнистости, где находится зона растягивающих напряжений.

Следует отметить, что перед этим в идентичных условиях были испытаны четыре таких же подшипника со стандартной посадкой на валу (без искусственно созданной волнистости). Ни один из них не вышел из строя до момента приостановки испытаний через 2200 часов (что соответствует 1,21×10⁹ циклам напряжения), при этом во время последующего анализа не было выявлено ни поверхностных трещин, ни подповерхностных белых трещин травления.

Анализ результатов испытаний включает неразрушающий контроль с помощью ультразвуковой и капиллярной дефектоскопии, измерение цилиндричности колец, фрактографический анализ и металлографический контроль под микроскопом.

На образце с открытой трещиной был сделан параллельный срез, как показано на рис. 9. Под микроскопом можно увидеть, что после травления часть основной трещины имеет белый цвет, и на глубине около 500 мкм от поверхности трещина разветвляется. Такие разветвлённые трещины также являются белыми трещинами травления, распространяющимися параллельно дорожке качения приблизительно на 400 мкм от основной трещины. Увеличенное изображение разветвлённых трещин (рис. 9b, c и d) подтверждает тезис о том, что трещины соединяются друг с другом, образуя подповерхностную сеть белых трещин травления. В двух других местах по окружности, соответствующих расположению выступов волнистой втулки, были также выполнены параллельные срезы. Хотя поверхностных трещин не наблюдалось, в подповерхностных структурах с растягивающими напряжениями, вызванными волнистостью, были выявлены многочисленные белые трещины травления. Более подробная информация представлена в [14].

Представленные на рис. 10 результаты относятся к испытаниям сферических роликоподшипников 23024, которые подвергались кратковременному воздействию тяжёлых нагрузок.

При кратковременном воздействии тяжёлой нагрузки подшипник подвергается воздействию контактного давления более 3 ГПа на протяжении приблизительно 15 минут в благоприятных условиях смазывания (каппа около 3,5).

После этого подшипник помещается на радиальный испытательный стенд. На этом стенде подшипник подвергается воздействию умеренного контактного давления около 1,7 ГПа, при этом каппа составляет около 2. В таких условиях испытания подшипников прекращаются через 3,3×10⁷ циклов, или они выходят из строя раньше. На рис. 10 представлен разрез по окружности и белые трещины травления на наружном кольце. Данный подшипник вышел из строя через 1,9×10⁷ циклов из-за выкрашивания в нагруженной зоне наружного кольца.

Примеры образования белых трещин травления из-за снижения прочности материала

Пример подповерхностных белых трещин травления у подшипника с наводороживанием уже был показан на рис. 7. В [22] можно найти подробный анализ результатов испытаний радиальных и радиально-упорных шарикоподшипников как с наводороживанием, так и без него.

Примеры образования белых трещин травления под влиянием смешанного трения и смазочного материала

При проведении испытаний на стендах FE8, направленных на оценку характеристик масла, на вышедших из строя упорных цилиндрических роликоподшипниках 81212 были обнаружены белые трещины травления [23]. На сегодняшний день условия проведения испытаний при сочетании смешанного трения и сильного кинематического проскальзывания (не относится к радиальным роликоподшипникам) не позволяют сделать определённых выводов. На данный момент нельзя утверждать, является ли образование белых трещин травления при испытаниях на FE8 в большей степени следствием поверхностной усталости (в этом случае смазочный материал также имеет большое значение), наводороживания или сочетания этих факторов.

Были проведены испытания с использованием упорных цилиндрических роликоподшипников 81212 с комбинацией контактных поверхностей сталь/сталь. Материал подшипника – стандартная подшипниковая сталь SAE 52100 с закалкой на мартенсит, с содержанием остаточного аустенита менее 3 % и твёрдостью около 60 HRC. Подшипники испытывались при умеренных нагрузках (макс. контактное давление около 1,9 ГПа) в условиях недостаточного смазывания (каппа около 0,3).

Испытания проводились с различными маслами и масляными смесями. Типичный пример повреждения представлен на рис. 11.

Хотя здесь и не указаны подробности, во время испытаний часто наблюдался выход из строя роликов и редко – колец. Испытания проводились до выхода из строя (выкрашивания) или до планового завершения. Предполагается, что у вышедших из строя вследствие выкрашивания подшипников, у которых были обнаружены белые трещины травления, подповерхностные белые трещины травления могли развиться до выкрашивания. Такое предположение сделано на основании того, что иногда подповерхностные трещины выявлялись и на компонентах без выкрашивания. Более подробная информация представлена в [15].