中科院金属所夏卓凡团队在《失效分析与预防》发表论文《残余脱碳层对轴承钢滚动接触疲劳失效机制的影响》，揭示微量残留脱碳层显著降低轴承寿命新机制
中国科学院金属研究所核材料与安全评价重点实验室夏卓凡团队联合中国科学技术大学材料科学与工程学院等单位，在《失效分析与预防》2025年第20卷第1期上发表了题为《残余脱碳层对轴承钢滚动接触疲劳失效机制的影响》的研究论文。该研究针对高端轴承制造中易被忽视的表面微量残余脱碳层问题，通过系统的滚动接触疲劳实验与微观表征，揭示了其对轴承钢服役寿命及失效模式的深层影响机制，为轴承表面加工与质量控制工艺提供了关键科学依据。
滚动轴承作为现代工业机械的核心基础件，广泛应用于航空航天、精密机床等重大装备领域，其失效往往引发灾难性后果。传统观点认为，经过热处理后的轴承钢表面若存在较厚的脱碳层必须彻底去除，但对于那些因工艺波动残留的微量脱碳层(通常厚度约200μm)，因其对整体力学性能影响不明显，且金相组织易与机加工产生的“白层”混淆，常被研究人员和生产一线所忽略。然而，随着装备向高速、重载方向发展，轴承接触应力剧增，这层看似不起眼的“薄皮”究竟会对轴承寿命产生何种影响，此前缺乏系统性的定量研究。
为此，夏卓凡团队采用GCr15SiMn轴承钢作为研究对象，利用球盘式滚动接触疲劳试验机模拟推力轴承的极端服役环境。实验设置了高达5.0GPa的重载荷条件，对比了表面存在残余脱碳层与完全去除脱碳层两组试样的疲劳性能。研究结果显示，即使是微量的残余脱碳层，也会对轴承钢造成“致命打击”：有脱碳层试样的额定寿命(L_{10})降至无脱碳层试样的三分之一左右，且疲劳寿命数据的离散性大幅增加，这对高可靠性要求的轴承而言极为不利。
通过对失效样品的微观形貌与组织结构进行深入分析，研究团队阐明了残余脱碳层致损的微观机理。研究发现，脱碳层区域由于碳含量降低，形成了马氏体与铁素体的混合组织，导致其硬度(约720-750HV)显著低于基体回火马氏体(850-950HV)。在重载滚动接触过程中，这种硬度不匹配引发了独特的裂纹扩展模式：一方面，表面机加工留下的磨痕在应力循环下诱导表面裂纹萌生;另一方面，软质的脱碳层内部会萌生近表层裂纹。当这两种裂纹在空间上相遇时，便会迅速相互连接、贯通，极大地加速了裂纹的扩展速率，最终导致接触沟道形成大尺寸的深层剥落坑，引发轴承振动精度失效。
该研究成果首次明确了微量残余脱碳层不仅是单纯的硬度降低问题，更是通过“近表层裂纹”与“表面裂纹”的协同耦合作用加速疲劳失效，从而导致寿命离散性增大的关键诱因。这一发现纠正了行业内对“少量脱碳层无害”的传统认知，强调了在高端轴承生产中严格控制表面脱碳层均匀性与彻底性的重要性，对提升我国重大装备用轴承的服役寿命与可靠性具有重要的工程指导意义。
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