Учёные из Института металлургии (IMR) Китайской академии наук обнаружили, что светлые (или «яркие») трещины травления (Light Etching Region, LER) — характерный признак микроструктурной деградации, вызванной контактной усталостью при работе подшипника качения — возникает не только в высокотемпературных авиационных подшипниковых сталях. Ученые мужи выяснили, что LER также присутствует в подшипниковой стали AISI 52100 (у нас аналогичный сплав называется ШХ15) — наиболее широко используемом подшипниковом материале в мире.
Эти результаты, опубликованные в журнале Acta Materialia, опровергают предположение о том, что формирование LER свойственно только определённым материалам, и раскрывают его как универсальный механизм деградации.
Для начала разберемся с терминологией, при чем тут травление. Таким способом исследуется микроструктура металла подшипника: подверженный износу образец полируется, микрошлиф протравливается особыми химикатами (в частности, раствором кислот). После этого структуру металла можно «рассмотреть» в оптический микроскоп: видимые светлые трещины, впервые обнаруженные в авиационных сталях M50 и M50NiL, получили название Light Etching Region.
Отметим: ученым уже известны White Etching Region — «белые трещины травления» в русской терминологии SKF. Белые трещины травления можно обнаружить в любых отраслях промышленности, на подшипниках любого типа и с любым методом термообработки (для закалённой и цементируемой сталей).
В случае с LER, в оптическом масштабе деградировавшие области выглядят как участки со светлым контрастом относительно окружения, длиной 100-500 микрон.
Внутри этой области формируется высокая плотность малоугловых межзеренных границ. Они образуют червеобразные дислокационные стенки толщиной всего в десятки нанометров.
Продолжим увеличивать масштаб наблюдения, провалимся «поглубже». Под действием продолжающихся циклических контактных напряжений эти стенки эволюционируют в изолированные дислокационные ячейки. Примечательно, что исходные карбиды внутри LER растворяются и замещаются плотной дисперсией наноразмерных карбидов (2–5 нм), которые выделились из-за контактной усталости при качении. Сочетание высокой плотности малоугловых границ зёрен и наноразмерных карбидных выделений повышает локальную микротвёрдость примерно на 50% по отношению к исходной мартенситной матрице. Это также значительно повышает кислотную стойкость, что объясняет яркий внешний вид области после травления.
Исследование китайских ученых демонстрирует, что LER образуются как результат циклических контактных напряжений, а особенности материала отходят на второй план. Процесс идет и при комнатной температуре! По сути, материаловеды узнали о хорошо известных сталях нечто фундаментальное, что раньше приписывалось только довольно экзотическим сплавам! Причем явление всегда было, что называется, «под носом», но исследование тормозилось неверной предпосылкой. А значит, у инженеров есть новые инструменты для исследования и повышения надежности подшипников.
