疲劳一般起源于高应力或高应变的局部，疲劳过程是一个损伤累积的过程。在足够多次的扰动载荷作用后，从高应力或高应变的局部开始萌生裂纹，在交变载荷的作用下，裂纹进一步扩展，直到达到临界裂纹尺寸而发生疲劳破坏。疲劳失效形式主要分为疲劳剥落和疲劳断裂。

01 疲劳剥落

滚动轴承的疲劳剥落主要是由于接触疲劳而引起的，根据剥落的形成位置和原因不同分为表层剥落（麻点剥落，点蚀），次表面剥落和硬化层剥落，如图1所示。

图1 疲劳失效的不同形式

表层剥落又称为麻点剥落或点蚀，是由接触表面粗糙微凸体的最高峰点互相接触而被剪断所造成的。次表面剥落是初始疲劳裂纹首先从接触表面下最大正交切应力处产生，然后扩展至表面形成的剥落。硬化层剥落是初始疲劳裂纹起源于硬化层与心部交接的过渡区，造成硬化层的早期剥离。疲劳剥落的形状特征：一般具有一定的深度和面积，剥落后的表面呈凹凸不平的鳞状，有尖锐的沟角，并带有疲劳裂纹扩展的海滩状纹路。产生疲劳剥落的部位主要是滚道和滚动体的接触面。如图2所示为滚道的表面剥落和滚动体的表面剥落。

图2 滚道的表面剥落和滚动体的表面剥落

a）角接触球轴承的滚道表面剥落；b）球滚动体的表面剥落；c）四列圆柱滚子轴承外圈滚道的疲劳剥落；d）轴承内滚道表面偏载疲劳剥落。

次表面剥落的形成由材料疲劳失效机理可以解释，即：一个循环作用的集中载荷在滚道接触表面产生接触应力，进而引起次表面的循环正交切应力。如果这个正交切应力足够大，会使滚道材料表面下面的某个弱点位置产生初始显微裂纹，次表面裂纹向表面扩展导致最终的剥落。剥落过程是先产生显微剥落、点剥落（点蚀），再产生小片剥落体，再发展为较大的剥落体，最后剥落体剥离形成次表面剥离。次表面疲劳剥落最典型的特征就是其显微裂纹具有蝴蝶现象，如图3所示。图4示意了次表面剥落的过程：从显微状剥落，到出现麻点，再到小片状剥落，最后为片状剥落。

图3 次表面剥落的蝴蝶裂纹

如前文所述，滚动轴承的疲劳失效主要是由滚动体与滚道之间的接触疲劳引起的。一个无任何故障的滚动轴承在长时间运转后，也会因接触疲劳而产生剥落，因而滚动轴承的接触疲劳寿命常常被作为评价滚动轴承额定寿命的主要指标。疲劳寿命就是指结构或材料直至疲劳破坏时所作用的循环载荷的次数或时间。滚动轴承疲劳寿命理论就是研究滚动轴承疲劳产生的机理，然后通过机理分析研究清楚使用概率、寿命与载荷的关系。早期一般认为疲劳寿命是由裂纹产生的时间决定的。后来人们发现大部分的疲劳寿命耗费在裂纹的扩展上，现在一般认为接触疲劳寿命是由裂纹扩展的时间决定的，认为疲劳产生的机理主要是：材料先产生裂纹，裂纹再扩展并转变为裂纹源，最终形成疲劳损伤。

图4 次表面剥落的过程

a）显微状剥落；b）麻点；c）小片状剥落；d）片状剥落

对于滚动轴承接触疲劳过程中材料裂纹的产生机理，目前主要有两种疲劳寿命理论：一种认为由于正交切应力的作用，材料内部缺陷在次表面形成裂纹；另一种认为由于接触表面的集中应力形成缺陷，或表面现有的缺陷受正交切应力作用而在接触表面形成裂纹。也有理论认为两种裂纹都引发疲劳。

裂纹源于材料内部的理论认为：在理想的润滑情况下，滚动体和套圈的接触表面被一层足够厚的未污染润滑油分隔开来，两金属表面没有直接接触，而且润滑油与金属表面的摩擦牵引力可忽略不计，那么失效将起源于表面下最大正交切应力深度处的材料缺陷处。此时决定寿命的主要因素是表面下最大正交切应力和材料缺陷的联合作用。

裂纹源于材料表面的理论认为：材料的内部缺陷含量已经降至很低，表面下裂纹产生的概率也将是非常低的。这就使得材料表面特性对寿命一载荷关系的影响将突现出来，所以材料表面缺陷（如磨削犁沟、粗糙峰等）对寿命—载荷关系的影响不能被忽略。在高压强下，这些缺陷的内部或周围极易形成应力集中，这种应力集中一旦超过材料的疲劳强度，便会成为微小疲劳裂纹产生的发源地，而裂纹一旦形成，由于高压润滑油周期性地不断涌入和材料体本身的循环应力的作用，就会导致裂纹不断地扩展，最终形成表面疲劳剥落。

02 疲劳断裂

疲劳断裂是指在弯曲、拉伸、扭转条件下，应力不断超过材料的疲劳强度而产生疲劳裂纹，裂纹先在应力较高处形成并逐步扩展到零件截面的某一部分，最终造成过载断裂的过程。滚动轴承疲劳断裂主要发生在套圈和保持架上。疲劳断裂是一种低应力脆性断裂，断裂前没有明显的塑性变形出现，其断口特征与其他断裂有明显的不同，有典型的疲劳源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区。通常也将疲劳断裂归类于断裂失效。图5为保持架的疲劳断裂和套圈的疲劳断裂。

图5 保持架的疲劳断裂和套圈的疲劳断裂

a）保持架的疲劳断裂；b）套圈的疲劳断裂

03 疲劳失效的原因与预防措施

造成滚动轴承材料疲劳失效的原因有多种，归纳总结如下：

1）载荷过大、有力矩载荷或异常载荷。比如游隙太小导致配合太紧，游隙太大导致集中载荷。

2）安装不良，轴系的同轴度较差或挠度过大，轴承座（箱体）精度或刚性不好。因安装对中不良导致偏载的深沟球轴承（内圈固定），其疲劳剥离带偏离沟的中心，且在载荷区域最为严重。

3）轴承工作表面有缺陷，如压痕、擦伤、变形或锈蚀。

4）润滑不良，润滑剂不合适，有污染物和水分入侵。

5）轴承材料的品质问题。

针对轴承疲劳失效的改善与预防措施：

1）检查设备系统的载荷（或轴承自身的承载能力、轴承选择问题）；

2）使用合适的润滑剂、润滑方法，并保证润滑剂的清洁度；

3）检查轴承安装部位（轴、轴承座）的安装精度；

4）检查轴承的游隙。