Sự xuống cấp của vật liệu là nguyên nhân chính khiến vòng bi lăn bị hỏng. Cách tốt nhất để dự đoán sự cố của vòng bi là phát triển sự hiểu biết sâu sắc về sự xuống cấp của vật liệu, để dự đoán hiệu suất của vòng bi bằng cách chọn thép và phương pháp xử lý nhiệt tối ưu cho các ứng dụng cụ thể. Sự hiểu biết này cũng dẫn đến những dự đoán chính xác hơn về tuổi thọ còn lại của vòng bi.
Sự tiếp xúc lăn trên rãnh của ổ trục tạo ra các ứng suất có chu kỳ kéo dài từ bề mặt đến các vùng dưới bề mặt. Nếu ứng suất vượt quá giới hạn cường độ cục bộ của vật liệu, cấu trúc vi mô sẽ bị hư hại hoặc xuống cấp, điều này cuối cùng có thể dẫn đến nứt vỡ bề mặt mương do hiện tượng mỏi do tiếp xúc lăn (RCF).
Trong điều kiện bôi trơn kém (tỷ lệ độ nhớt, κ < 1), sự tiếp xúc giữa kim loại với kim loại ở các độ nhám có thể tạo ra ứng suất bề mặt cao. Lực kéo bề mặt, gây ra bởi một lượng nhỏ trượt trong các điểm tiếp xúc, cũng có thể tạo ra ứng suất bề mặt cao. Ứng suất bề mặt cao có thể gây ra hư hỏng do mỏi bề mặt, thường biểu hiện dưới dạng các vết nứt nhỏ hoặc vết rỗ.
Trong các ổ trục quay hoạt động trong điều kiện bôi trơn tốt ( κ > 2 ) , ứng suất cắt cực đại tồn tại ở một độ sâu nhất định bên dưới bề mặt mương. Ứng suất cắt theo chu kỳ do tiếp xúc lăn cuối cùng có thể gây ra hư hỏng do mỏi dẫn đến sự nứt vỡ bắt đầu dưới bề mặt của mương (hình 1). Trong điều kiện RCF, có thể xảy ra hai loại suy thoái vật liệu. Nếu ứng suất tiếp xúc tối đa vượt quá một giới hạn nhất định, được gọi là giới hạn rung lắc đàn hồi, thì vật liệu ở vùng dưới bề mặt trải qua dòng chảy dẻo lũy tiến dẫn đến thay đổi cấu trúc vi mô lũy tiến, cuối cùng dẫn đến nứt vỡ mương. Tuy nhiên, ở ứng suất tiếp xúc dưới giới hạn lắc đàn hồi, hư hỏng cục bộ (tùy thuộc vào điều kiện ứng suất cục bộ) vẫn có thể phát triển từ các khiếm khuyết của vật liệu như tạp chất phi kim loại, do hiệu ứng tăng ứng suất. Loại hư hỏng này được đặc trưng bởi cái gọi là vết nứt hình cánh bướm, với một hoặc nhiều vết nứt bắt đầu từ một tạp chất hoặc một lỗ rỗng. Sự phát triển của các vết nứt đi kèm với sự phát triển của các vùng ăn mòn trắng (WEA). Trong một số điều kiện nhất định, sự phát triển của vết nứt dưới bề mặt cũng có thể dẫn đến nứt vỡ bề mặt rãnh.
Thành phần của thép chịu lực
Cacbon và crom là các nguyên tố hợp kim cơ bản của thép chịu lực được sử dụng để đạt được độ cứng cần thiết thông qua xử lý nhiệt. Các nguyên tố hợp kim bổ sung là cần thiết để tăng độ cứng của thép cho các bộ phận chịu lực kích thước lớn.
Các thành phần ổ trục được làm cứng xuyên suốt thường được xử lý nhiệt để tạo ra cấu trúc martensitic hoặc bainitic. Bài báo hiện tại tập trung vào cấu trúc martensitic của thép chịu lực.
Quá trình làm cứng Martensitic liên quan đến austenit hóa, tiếp theo là làm nguội trong dầu hoặc muối, sau đó ủ ở nhiệt độ thấp để cân bằng các đặc tính xung đột. Trong quá trình austenit hóa, một phần của xi măng hình cầu hòa tan, dẫn đến hàm lượng carbon là 0,6–0,65% trọng lượng trong austenit. Sau khi làm nguội, martensite hình thành với một phần austenite được giữ lại. Quá trình ủ tiếp theo làm tăng kết tủa cacbua chuyển tiếp và tiếp tục biến đổi austenite (RA) được giữ lại thành martensite, dẫn đến giảm hàm lượng RA. Hàm lượng RA giảm theo nhiệt độ ủ và có thể giảm xuống 0 nếu nhiệt độ ủ đạt 220 °C. Hình 2 cho thấy sơ đồ biểu diễn cấu trúc martensitic sau khi xử lý nhiệt. Bên trong hạt austenite trước đó có các gói mactenxit, xi măng dư và RA. Mỗi gói chứa các khối trong đó các thanh martensite được hình thành. Các cacbua chuyển tiếp kết tủa bên trong các hạt phụ martensite trong quá trình ủ.
Nếu áp suất tiếp xúc tối đa vượt quá giới hạn rung lắc đàn hồi, thép chịu lực ở khu vực dưới bề mặt sẽ trải qua quá trình thay đổi vi cấu trúc tiến triển do sự tích tụ vi dẻo. Quá trình phân hủy như vậy biểu hiện dưới kính hiển vi quang học ánh sáng (LOM) dưới dạng sự xuất hiện của vùng ăn mòn tối (DER). Với sự phát triển của RCF, các dải khắc màu trắng (WEB) với hai hướng riêng biệt phát triển bên trong DER. Sự hình thành của các dải góc thấp (LAB) với hướng khoảng 30 º so với hướng lăn quá mức được theo sau bởi sự phát triển của các dải góc cao (HAB), được định hướng ở một góc khoảng 80 º sang hướng lăn quá mức. Hình 3 cho thấy ảnh vi mô về sự thay đổi cấu trúc vi mô dưới bề mặt.
Một tính năng nổi bật khác có thể nhìn thấy trong DER là ferit kéo dài. Ferit kéo dài cũng được hình thành trong cấu trúc ma trận martensitic trong RCF nhưng xuất hiện dưới dạng các đặc điểm riêng lẻ và không được nhóm lại như các dải vi mô ferit. Có một dấu hiệu cho thấy ferit kéo dài phát triển để tạo thành các hạt ferit lớn có trong LAB và HAB [5]. Giống như các vi băng ferit, ferit kéo dài có dạng tấm mỏng và nằm ở khoảng 30° hoặc 80° so với bề mặt mương khi quan sát trên mặt cắt chu vi (hình 5a). Khi nhìn vào mặt cắt ngang, các dải song song với bề mặt mương. LAB và HAB có màu trắng khi quan sát dưới kính hiển vi quang học (xem hình 3). Đây là lý do tại sao chúng thường được gọi là dải khắc trắng (WEB). Cấu trúc bên trong của chúng có thể rất không đồng nhất theo độ dày. Cả LAB và HAB đều có thể được tạo thành từ ferrite kích thước nano đa tinh thể và ferrite kéo dài [6].
Sự xuất hiện của WEB sau khoảng 10 9 chu kỳ ứng suất thường được quan sát cùng với sự hình thành cacbua dạng thấu kính (LC) [7]. Các cacbua dạng thấu kính được hình thành ở bên cạnh và song song với các WEB lớn. Một WEB được phát triển đầy đủ có thể có chiều dài 50–60 µm và 10 µm chiều rộng, trong khi độ dày của cacbua dạng thấu kính có thể đạt tới 1 µm. Sự hình thành cacbua dạng thấu kính có liên quan đến sự hòa tan một phần của xi măng còn lại nhưng không yêu cầu sự hòa tan hoàn toàn của xi măng còn lại [4–8]. Hình 5b cho thấy một cấu trúc bánh sandwich trong vùng WEB nơi dải ferit và cacbua dạng thấu kính nằm bên cạnh ma trận martensite ban đầu [9].
Xi măng còn lại cứng hơn nhiều so với ma trận mactenxit đã tôi luyện và do đó được cho là có khả năng chống biến dạng dẻo cao hơn. Tuy nhiên, cả hai băng ferit và ferit kéo dài được quan sát thấy phát triển xuyên qua xi măng còn sót lại, khiến nó bị hòa tan [3, 10]. Sau một số lượng lớn các chu kỳ ứng suất, các hạt xi măng còn sót lại trong khu vực có ứng suất cao thường có các cạnh mờ, cho thấy xi măng đang hòa tan trong quá trình RCF.
Có một số yếu tố ảnh hưởng hoặc chi phối sự thay đổi vi cấu trúc trong RCF, bao gồm cấu trúc ban đầu, ứng suất dư và các điều kiện vận hành, chẳng hạn như áp suất và nhiệt độ tiếp xúc. Là một quá trình cơ nhiệt, tốc độ thay đổi cấu trúc vi mô tăng theo áp suất tiếp xúc và/hoặc nhiệt độ.
Sự thay đổi cấu trúc vi mô là một quá trình di chuyển carbon được thúc đẩy bởi sự trượt lệch vị trí do tính dẻo gây ra, được tóm tắt trong hình. 6. Đối với thép chịu lực được làm cứng bằng mactenxit, cấu trúc ban đầu bao gồm mactenxit đã tôi luyện có chứa các kết tủa kích thước nano (cacbua chuyển tiếp), austenit được giữ lại (RA) và xi măng dư. Sự hình thành các DER liên quan đến sự biến đổi của mactenxit đã tôi luyện thành ferit ở dạng các dải vi mô ferit và ferit kéo dài, là kết quả của quá trình di chuyển carbon do trật khớp từ ma trận martensite. Trong khi đó, RA biến đổi một phần thành mactenxit do sự biến đổi pha do ứng suất và biến dạng gây ra, trong khi xi măng còn lại nguyên vẹn ở giai đoạn đầu nhưng dần dần bị hòa tan ở một số vùng có tính dẻo cục bộ cao. Với sự phát triển của RCF, các băng vi mô ferit và các hạt ferit kéo dài phát triển hơn nữa thành các dải ferit được hình dung dưới dạng các dải góc thấp (LAB) và dải góc cao (HAB). Các nguyên tử carbon từ ma trận và cacbua hòa tan được tách biệt để tạo thành các cacbua dạng thấu kính giữa các dải ferit.
Có một tranh cãi về việc các nguyên tử carbon di chuyển đến đâu ở giai đoạn hình thành DER. Câu hỏi cụ thể là liệu các nguyên tử cacbon bên trong martensite có được vận chuyển về phía các cacbua chuyển tiếp [9], gây ra cái gọi là sự thô hóa cacbua hay đến một nơi nào khác, chẳng hạn như ranh giới của các vi băng ferit mới hình thành hoặc các hạt ferit kéo dài [11] .
Sự phá hủy do mỏi của martensite tôi luyện ở nhiệt độ thấp khi tiếp xúc lăn đi kèm với sự phân hủy RA và tích tụ ứng suất dư do nén, có thể được nghiên cứu một cách có hệ thống bằng phương pháp nhiễu xạ tia X [12–14]. Mặc dù quá trình chuyển đổi được hỗ trợ bởi ứng suất từ RA sang martensite xảy ra ngay từ đầu và tiếp tục với quá trình RCF, quá trình như vậy được tìm thấy có tương quan với sự hình thành DER và sự phát triển tiếp theo của WEB [12, 13]. Sau một số chu kỳ ứng suất đủ lớn , sự phân hủy hoàn toàn RA có thể diễn ra ở vùng có ứng suất cao.
Sự phân rã cấu trúc vi mô cũng được phản ánh bởi sự thay đổi độ cứng. Người ta nhận thấy rằng độ cứng trung bình của cấu trúc bị thay đổi thấp hơn đáng kể so với cấu trúc ban đầu [9, 13, 15]. Người ta cũng quan sát thấy rằng độ cứng tăng nhẹ ban đầu được theo sau bởi sự giảm độ cứng đáng kể trong cấu trúc vi mô bị phân rã sau một số lượng lớn các chu kỳ ứng suất [10, 16]. Sự gia tăng độ cứng ban đầu là kết quả của quá trình làm cứng. Với sự phát triển của RCF, sự di chuyển carbon do trật khớp dẫn đến cấu trúc vi mô bị phân rã ngày càng không đồng nhất được đặc trưng bởi các vùng cạn kiệt carbon trộn lẫn với các vùng giàu carbon. Sự suy giảm carbon trong ma trận martensite gây ra sự giảm dần độ cứng của cấu trúc vi mô bị phân hủy.
Kết luận
Hỏng hóc của ổ lăn về bản chất là kết quả của sự xuống cấp vật liệu trong các điều kiện vận hành nhất định. Hiểu được sự xuống cấp của vật liệu là cơ sở để dự đoán hiệu suất của ổ lăn nhằm cho phép lựa chọn thép và phương pháp xử lý nhiệt tối ưu cho các ứng dụng cụ thể cũng như dự đoán tuổi thọ còn lại của ổ trục. Tiên lượng có thể hữu ích để xác nhận việc lựa chọn ổ lăn hoặc chỉ ra những thay đổi có thể xảy ra trong quá trình vận hành hoặc bảo dưỡng ổ trục có thể kéo dài tuổi thọ của các ổ trục tiếp theo hoạt động trong tài sản.