1 引言 滚动接触疲劳（RCF）是工程系统中最严苛的载荷形式之一。RCF通常表现为两种主要失效模式：表面起源点蚀（SOP）和次表面起源剥落（SOS）。高摩擦、较差表面状态及润滑不足会形成表面应力集中并诱发表面失效；当滚动轴承正确安装、在洁净且充分润滑的环境中运行并定期维护时，常发生次表面起源剥落的问题。后者源于复杂、交变且高度局部化接触应力的反复作用。裂纹通常在次表面应力集中源附近萌生，随后扩展、合并直至到达接触表面，引起材料剥落。 材料洁净度是影响轴承钢RCF抗力的关键因素。洁净度可通过受力体积内夹杂物的数量与性质判断，并主要取决于熔炼和精炼路线。磷、硫、硅、铝等杂质可能形成非金属夹杂物（NMI），长期以来被认为是RCF裂纹萌生的重要次表面应力集中源。因此，航空轴承尤其重视降低夹杂物数量，以保证关键摩擦部件在数千万循环内可靠运行。 多项研究已利用三球-棒（3BR）装置比较不同材料的RCF性能。该装置由Glover提出，可在受控条件下复现滚动接触疲劳机制。然而，即使采用提高接触应力的加速条件，获得统计意义充分的数据仍可能耗时数月。为缩短材料筛选周期，Sadeghi等开拓了将微观组织拓扑嵌入连续损伤力学有限元框架的方法。该框架能够按循环模拟材料退化，并预测疲劳寿命和剥落形貌。 CDM-FE方法的核心是依据扭转疲劳S-N数据标定损伤演化方程的材料常数。扭转载荷使试样承受近似纯剪切状态，可有效表征Littman、Tallian以及Lundberg和Palmgren所指出的RCF主导致损应力。相较传统RCF试验，完整扭转S-N数据集获得更快，配合现代计算能力可形成更高效的疲劳寿命评估流程。 本研究以M50 VIMVAR（M50-VV）、52100 VIMVAR（52100-VV）和TimkenSteel 52100 Ultra-Premium（52100超优钢）为对象，开展扭转疲劳试验和三球-棒RCF试验，并建立以扭转数据标定的CDM-FE模型。研究目标是验证：由扭转S-N数据导出的材料常数能否捕捉不同洁净度航空轴承钢之间的RCF性能差异，以及模拟是否能够再现3BR试验的寿命排序与分散性。
2 试验方法 2.1 扭转疲劳试验装置与步骤 MTS扭转疲劳试验台用于表征材料在交变剪切载荷下的疲劳行为。装置由液压旋转执行器、角位移传感器、扭矩传感器、刚性底座和定制夹具组成。执行器角位移分辨率为0.001°，行程范围为±45°；扭矩传感器量程为565N·m。执行器端固定于底座，扭矩传感器端在停机时可沿钢制台面滑动，以便装卸试样，试验时再锁紧。 研究材料为M50-VV、52100-VV和52100超优钢，均为具有高耐磨性和高强度的全淬硬轴承钢。52100是目前使用最广泛的轴承钢之一；M50则常用于150℃以上的高温轴承。M50-VV与52100-VV均采用真空感应熔炼加真空自耗电弧重熔（VIMVAR）的双真空工艺，以降低非金属夹杂物含量。该工艺是航空工业延长轴承寿命的常用路线，但成本较高。Ultra-Premium为更具成本效益的精炼工艺，通过降低硫和氧化物水平，使洁净度接近空气VAR和VIMVAR钢。 试样经淬火、回火和精密硬加工，最终磨削方向沿试样纵向。M50-VV依据AMS 6491热处理，另两种52100材料采用与AMS 6491相近的工艺，从而获得接近的硬度。试样从两端向标距段中心缓慢变截面，使最大应力集中位于中心。 试样夹紧后，先施加若干低幅循环以检查同轴度和测量稳定性，再在全反复扭转载荷下进行单调与疲劳试验。单调试验用于确定极限剪切强度Sus；疲劳试验覆盖静态失效、低周疲劳和高周疲劳区。失效判据为TFTR检测到试样刚度明显下降或角位移异常增加。每种材料在多个应力水平上重复试验，以拟合剪应力反向—寿命关系。 2.2 三球-棒试验装置与步骤 三球-棒装置采用三个相同钢球围绕圆柱棒试样均匀布置。每个试验头包含加载机构、滚动球、试样、润滑及振动监测系统。试样旋转时，三个钢球与试样形成三个椭圆/线接触区；加载角和几何关系使球-棒接触产生目标Hertz压力。单台设备可同时运行多个独立试验头。 3BR试样取自与扭转试样相同批次的M50-VV、52100-VV和52100超优钢材料，并采用相同或等效热处理。滚动球采用高质量轴承钢，以确保被考察变量来自棒试样材料。 试验在充分润滑条件下进行，名义最大Hertz接触压力为3.4GPa。试验头通过振动或噪声阈值识别剥落失效，随后停机并记录运行时间。棒试样每转一圈经历2.389个等效滚动接触循环，因此以运行时间换算寿命。各材料获得的失效寿命采用两参数Weibull分布分析。
3 分析建模方法 本文仿真基于连续损伤力学有限元框架 ，引入材料微观组织模型，模拟材料劣化、预测寿命，还原滚动接触疲劳固有的数据分散性。 RCF是剪切主导的失效过程，本文参照Vijay等人，将Fatemi‑Socie 临界面疲劳准则作为模型失效判据；该准则还能体现压缩平均应力对疲劳寿命的增益效果。 3.1 微观组织——Voronoi镶嵌 RCF寿命不仅受名义应力控制，还受晶粒拓扑、夹杂物和局部材料取向造成的应力波动影响。模型采用二维Voronoi镶嵌生成随机多晶微观组织，在接触区细化网格，并在外部设置粗三角形网格和无限元区域，以近似半无限弹性体。其平均晶粒直径取10μm。 3.2 疲劳损伤模型 每个载荷增量结束后，在候选临界面上计算FS参数及损伤增长率。为提高计算效率，模型采用自适应循环跳跃：先找出全模型中损伤增长最快的位置，再选择使其损伤增加固定小量ΔD的循环步长。 当某单元达到临界损伤时，其刚度显著降低，形成裂纹萌生；后续循环使相邻单元损伤累积并构成裂纹扩展。裂纹到达接触表面时定义为RCF失效。模拟采用与3BR试验一致的3.4GPa Hertz压力及150μm半接触宽度。
4 结果与讨论 4.1 扭转疲劳结果 图1给出三种材料的单调剪切应力-角位移曲线。52100-VV的极限剪切强度最高，其次为52100超优钢，M50-VV最低。三者初始弹性响应接近，但进入塑性区后的承载能力和失效角位移存在差异。 结合三种材料从静态失效、低周疲劳向高周疲劳过渡时的典型断口可知，载荷降低、寿命增加后，断裂面由明显塑性剪切形貌逐渐转变为疲劳裂纹萌生与稳定扩展主导的形貌。三种材料均呈现一致的机制转变，说明扭转试验确实覆盖了与RCF相关的剪切疲劳区间。 圆截面试样在扭矩作用下的最大剪应力出现在表面；纯剪切状态可用莫尔圆表示为互相垂直的最大拉、压主应力。高周试样的裂纹常从表面微小缺陷或加工痕迹处萌生，并沿最大剪切/主应力控制的路径扩展。 4.2 三球-棒试验结果 三球-棒试验寿命采用两参数Weibull分布拟合。图2显示，52100-VV寿命分布整体显著右移，表明其RCF性能优于另外两种钢。M50-VV与52100超优钢的特征寿命和L10寿命接近，其90%置信区间亦有较大重叠。 图3把本研究结果与Liston在相同3.4GPa应力水平下的多种轴承钢数据进行比较。52100-VV处于较高寿命区；52100超优钢和M50-VV与若干传统航空轴承钢相当。 4.3 模拟结果 模型中由完好材料到裂纹萌生、裂纹扩展并最终贯通表面的全过程结果显示，损伤最初集中在次表面局部高FS区域；随着循环次数增加，裂纹沿晶粒拓扑控制的路径扩展，最终形成仿真剥落形貌并判定发生失效。 为表征微观结构随机性，每种材料结合模型进行多次计算。结果显示，由扭转S-N数据标定后，模型预测52100-VV寿命最高，M50-VV与52100超优钢较接近，与3BR试验排序一致。 4.4 模拟与试验相互印证 通过三种材料的模拟与试验结果可知，M50-VV和52100-VV的模拟曲线与试验曲线高度接近；52100超优钢模拟寿命略偏低，但仍落在试验分散区的合理范围内。 图4汇总全部模拟与试验数据。三种材料的寿命等级和Weibull斜率均得到较好再现，表明扭转S-N数据中所包含的材料洁净度和抗疲劳能力差异能够通过CDM材料常数传递至RCF寿命预测。 与完成一组具有统计意义的3BR试验相比，扭转试验加CDM-FE模拟的总耗时可减少约67%。因此，该方法适合在进入昂贵、长期的RCF验证试验之前，对候选材料、洁净度等级和热处理路线进行快速筛选。不过，模型仍依赖准确的S-N标定、合理的微观组织描述及适用的临界面判据；表面粗糙度、润滑状态和残余应力等因素在其他工况下仍需纳入模型开展分析。
5 结论 1）扭转疲劳试验能够有效区分三种航空轴承钢的极限剪切强度、低周疲劳和高周疲劳性能。52100-VV具有最高极限剪切强度，并在整个S-N范围内表现出最佳疲劳抗力。 2）由三球-棒RCF试验表明，52100-VV的寿命显著高于M50-VV和52100超优钢，且后两者的RCF性能相近。 3）由扭转S-N数据确定的CDM材料常数能够捕捉材料洁净度和微观组织对RCF寿命的综合影响。采用Fatemi-Socie临界面准则及模型计算成功再现了次表面裂纹萌生、扩展和表面剥落过程。 4）三种材料的模拟Weibull寿命与3BR试验结果吻合良好，尤其能够正确预测寿命排序和数量级。 5）扭转试验与CDM-FE模拟相结合可较传统3BR试验缩短约67%的评价时间，为航空轴承材料快速筛选提供了可靠的物理基础方法。
