夹杂物类型与力学参数对轴承钢滚动接触疲劳损伤的影响

张伟成1, 张海杰2, 付铭宇3, 王亚栋2, 张立峰2（1.燕山大学车辆与能源学院；2.北方工业大学机械与材料工程学院；3.燕山大学机械工程学院）

摘要:非金属夹杂物作为轴承钢中的异类成分,其所在区域在外载荷施加过程中易产生应力集中和塑性应变累积,是滚动接触疲劳(RCF)裂纹的重要萌生源。为探究夹杂物种类及力学参数对轴承钢RCF 损伤的影响,基于Abaqus平台并结合abqVoronoi3D 插件构建滚动接触多晶有限元模型,采用UMAT 用户子程序引入晶体塑性本构关系,研究分析了单一夹杂物、不同弹性参数夹杂物以及复合夹杂物在赫兹载荷下的应力分布和等效疲劳损伤特征。结果表明,不同类型的夹杂物会诱发不同程度的等效疲劳损伤,10次循环下硬性夹杂物如Al2O3 夹杂物引发的疲劳损伤值达到0.04,而MnS类易变形夹杂物小于0.03;夹杂物弹性模量与基体差异越大,界面应力集中越强,疲劳损伤显著升高,而泊松比影响较小;复合夹杂物表现出“损伤传递”机制,软质外层在早期循环吸收部分变形能量,但应力继续传递至硬质内核后,损伤被放大,整体疲劳损伤水平高于单一软夹杂物。以上结论为高寿命轴承钢的设计与质量控制提供理论依据。

关键词:夹杂物;轴承钢;疲劳损伤;滚动接触疲劳;有限元分析