高性能轴承钢梯度纳米结构微观组织/残余应力调控与接触疲劳行为研究

High-end bearings are not only the core components of high-end equipment, but also the important strategic materials and important guarantee for national security and national defense equipment. At present, China's high-end bearings rely on imports for a long time, and domestic bearings have a big gap with foreign bearings in performance, so it is urgent to break through the technical bottleneck of high-end bearings. The project focuses on the major difficult problems of short life and poor reliability existed in the domestic bearing, and takes the domestic high-speed rail bearing as the research object. The gradient nanostructure is obtained on the bearing surface induced by supersonic fine particles bombarding technique. The microstructure and mechanical properties under different layer depth are studied systematically. Effect of the service condition (such as load, speed, temperature) on the microstructure stability of gradient nanostructure and the law of residual stress release are clarified. The correlation model between the microstructure instability and residual stress release under different service conditions is established. The contact fatigue damage mechanism under the control of microstructure and residual stress is also explored. The above studies may help to realize the anti-fatigue manufacturing of high-performance bearings, provide important technical support for the achievement of the goal of long life and high reliability of the bearings, promote the localization process of high-end bearings in China, and also improve the reliability of key components of the high-end equipment.

高端轴承不仅是高端装备的核心部件，也是重要的战略物资，是国家安全和国防装备的重要保障。目前我国高端轴承严重依靠进口，国产轴承在性能方面与国外存在较大差距，因此突破高端轴承的技术瓶颈迫在眉睫。本项目针对国产轴承寿命短、可靠性差等难题，以国产高铁轴承为研究对象，拟借助超音速微粒轰击技术在轴承钢表面构建梯度纳米结构，重点研究梯度纳米结构不同层深处的微观组织演变特性与力学性能变化规律，明确不同工况参数（载荷、转速、温度）对梯度纳米结构组织稳定性和残余应力释放规律的影响机制，建立不同服役工况下梯度纳米结构组织失稳与残余应力释放之间的关联模型，探讨组织/残余应力协同调控下梯度纳米结构的接触疲劳损伤机理。研究结果有助于实现高性能轴承的先进抗疲劳制造，为轴承实现“寿命长、可靠性高”的目标提供重要的技术支撑，有望推动我国高端轴承的国产化进程，同时还对提升高端装备关键构件的可靠性具有重要的指导意义。

轴承是装备制造领域的核心基础零部件，轴承工业是国家基础性战略性产业，对国民经济发展和国防建设起着重要的支撑作用。轴承零件的失效和破坏大多发生在表面或从表面开始，接触表面疲劳和由相对活动引起的磨损破坏是最为常见的失效形式，直接影响轴承寿命，甚至导致突发性的灾难事故。为了满足日益严苛的服役环境，当今的首要任务是探索影响高性能轴承磨损性能和疲劳性能的因素，进一步提高轴承的服役寿命。. 为此，本项目以GCr15SiMn、GCr15轴承钢为研究对象，通过激光冲击和超音速微粒轰击两种强化技术进行表面强化，尔后分别在不同服役条件下进行摩擦磨损性能测试，探讨了轴承钢表面纳米化机制，明确了不同工况参数对梯度纳米结构微观组织以及摩擦磨损性能的影响规律，揭示了轴承钢梯度纳米结构的损伤机理。一些比较重要的结果有：.1. 超音速微粒轰击与激光冲击均能使轴承钢表面形成梯度纳米组织。随着超音速微粒轰击时间、激光冲击脉冲能量和冲击次数的增加，试样表层晶粒细化效果进一步加剧。经超音速微粒轰击后，试样表层形成为较均匀的等轴晶粒，平均晶粒尺寸约为13nm，变形层深度约为15μm，但试样表面粗糙度增加显著。经激光冲击后，试样平均晶粒尺寸约为52nm。.2. 超音速微粒轰击与激光冲击均可显著降低试样的磨损率，提高轴承钢的耐磨性。未经强化的轴承钢表面磨损机制为粘着磨损和氧化磨损；超音速微粒轰击和激光冲击后试样磨损机制主要为磨粒磨损为主，伴随一定的粘着和氧化磨损。.3. 超音速微粒轰击与激光冲击均可显著提高轴承钢的硬度，同时在材料表面生成了深且大的残余压应力层。摩擦磨损过程中材料表面应力场的变化情况是表面强化引入的残余压应力释放，阻碍表面组织发生塑性变形；深且大的残余压应力层还可抑制裂纹萌生和扩展，从而提高了材料的耐磨性。. 本项目丰富了轴承钢梯度纳米结构微观组织演化及摩擦学理论，为轴承实现“长寿命、高可靠性”的目标提供了试验依据和技术支撑。