正常條件下工作的軸承，在接觸疲勞應(yīng)力的作用下也會出現(xiàn)白色組織，但其形態(tài)和異常白色組織明顯不同。正常條件下接觸疲勞產(chǎn)生白色組織的過程為：在較高的工作載荷下，經(jīng)過大量的接觸應(yīng)力循環(huán)后，接觸區(qū)下次表層首先出現(xiàn)類似高溫回火的黑色組織，而后在黑色組織中出現(xiàn)與滾動方向呈30°左右的白色條帶，繼而出現(xiàn)與滾動方向呈80°左右的白色條帶，最后在該區(qū)域萌生裂紋成為疲勞源，擴(kuò)展至表面形成疲勞剝落（圖1）。如無夾雜物等其他有害因素導(dǎo)致的疲勞剝落出現(xiàn)，這種正常白色組織剝落的壽命極長，如在3 000 MPa的最大接觸應(yīng)力下，軸承壽命可達(dá)1.0×1010 r以上。

圖1 深溝球軸承內(nèi)圈滾道面下的組織變化

（截面平行與滾動方向，垂直于溝道面）

典型的起源于次表面夾雜物的蝶狀組織如圖2所示。

圖2 夾雜物周圍的蝴蝶狀白色腐蝕區(qū)及微裂紋

異常白色組織剝落與次表面起源型剝落的組織變化不同，其白色組織及隨后出現(xiàn)的裂紋優(yōu)先發(fā)生在原始晶界上，呈不規(guī)則形態(tài)。

異常白色組織疲勞剝落是近年來出現(xiàn)較多的新型疲勞剝落形式，主要是發(fā)生于周邊存在電磁環(huán)境情況下的軸承（如電機(jī)軸承），工作中內(nèi)部存在較大滑動的軸承（調(diào)心滾子軸承）或受到?jīng)_擊、振動等的軸承（如磨碎機(jī)齒輪箱軸承、風(fēng)電齒輪箱軸承等），在滾動接觸面下的次表層中出現(xiàn)不規(guī)則的塊狀白色組織，白色組織中伴生有裂紋。出現(xiàn)該組織時(shí)，軸承疲勞剝落壽命很短，約為正常壽命的1/10~1/5。異常白色組織的微觀結(jié)構(gòu)盡管與正常白色組織一樣，由納米級的鐵素體顆粒組成，但其硬度較高（相對于未發(fā)生變化的基體馬氏體組織），可達(dá)75HRC，且其內(nèi)還有非常細(xì)小的碳化物析出。

圖3 異常白色組織剝落

國內(nèi)外研究者對產(chǎn)生異常白色組織的機(jī)理開展了大量的工作，但對其形成機(jī)理尚未統(tǒng)一的認(rèn)識。一種機(jī)理是氫致脆性剝落。另一種則認(rèn)為由于鋼中裂紋面的相互摩擦而產(chǎn)生，即在白色組織形成之前，鋼中已經(jīng)存在裂紋（如鋼中夾雜物在熱加工過程中與基體脫開，淬火微裂紋，空洞等），或在接觸疲勞過程中產(chǎn)生的裂紋（如被弱化的原奧氏體晶界處），裂紋面在交變接觸應(yīng)力的作用下發(fā)生相互摩擦，使裂紋附近的材料發(fā)生絕熱變形，并使碳化物溶解，發(fā)生機(jī)械固溶，形成硬的白色組織。

目前，較為流行的理念是該類白色組織剝落是由氫引起的。其產(chǎn)生機(jī)理如圖4所示。處于接觸面間的潤滑劑在高溫高壓或受電流（電荷）的放電影響，并受接觸金屬的催化作用，發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，分解產(chǎn)生氫原子或離子，氫原子吸附于接觸面并向金屬內(nèi)擴(kuò)散，在最大剪應(yīng)力區(qū)的微小缺陷處聚集，當(dāng)氫含量大于某一臨界值Hc時(shí)，最終形成白色組織剝落。原奧氏體晶界為氫擴(kuò)散和聚集的優(yōu)先部位，故白色組織優(yōu)先在該處形成。

圖4 氫致脆性剝落機(jī)理

另外，在表面已存在裂紋或夾雜物暴露于滾動表面的情況下，潤滑油進(jìn)入裂紋內(nèi)，由于裂紋面的新鮮金屬對潤滑油的分解起催化作用，且裂紋面相互摩擦產(chǎn)生摩擦化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)潤滑油分解，從而產(chǎn)生氫離子，靠近裂紋尖端處產(chǎn)生白色組織，加速裂紋擴(kuò)展，如圖5所示。

圖5 潤滑油進(jìn)入導(dǎo)致的白色組織裂紋擴(kuò)展

關(guān)于氫在異常白色組織形成過程中的作用及其對疲勞壽命的影響機(jī)理，目前也同樣存在較大的爭議。由于正常和異常白色組織均由納米級的鐵素體顆粒組成，可以推測：2種白色組織的形成均是局部微區(qū)發(fā)生大量塑性變形的產(chǎn)物；氫的存在加速了這一過程，越是氫濃度高的部位，這種加速作用就越強(qiáng)烈。但由于氫離子在鋼中擴(kuò)散與聚集的不均勻性，使其在不同區(qū)域產(chǎn)生的白色組織呈現(xiàn)不規(guī)則的異常形態(tài)。如原奧氏體晶界，空穴、位錯(cuò)密度高于晶內(nèi)，有利于氫離子的擴(kuò)散和聚集，使白色組織優(yōu)先在晶界形成，并逐步發(fā)展成為分叉裂紋；又如裂紋擴(kuò)展時(shí)，裂紋尖端附近的區(qū)域應(yīng)力較高，發(fā)生微區(qū)變形，產(chǎn)生較高的位錯(cuò)密度，有利于氫離子的聚集，使這些區(qū)域更易于產(chǎn)生白色組織和微裂紋，微裂紋與主裂紋連通，使主裂紋呈階躍式擴(kuò)展。

對于氫滲入鋼中后如何加速白色組織形成和裂紋擴(kuò)展有多種假設(shè)：

1）內(nèi)壓作用。滲入鋼中的氫離子在缺陷（如密集的位錯(cuò)、晶界、夾雜物、碳化物）處聚集結(jié)合成H2，體積增大，產(chǎn)生內(nèi)壓，造成高的應(yīng)力集中，與外加應(yīng)力疊加促進(jìn)微區(qū)變形。當(dāng)內(nèi)壓足夠大時(shí)，超過材料的微觀斷裂強(qiáng)度，直接產(chǎn)生裂紋。

2）降低位錯(cuò)運(yùn)動阻力，削弱金屬鍵的結(jié)合力。鋼中的氫離子向位錯(cuò)處擴(kuò)散，與位錯(cuò)結(jié)合，降低位錯(cuò)運(yùn)動阻力，同時(shí)因削弱金屬鍵的結(jié)合力，使局部的位錯(cuò)更容易運(yùn)動，也使富集氫離子的部位易于發(fā)生微觀塑性變形，而這些變形大的區(qū)域又更易于吸收更多的氫離子，進(jìn)一步加劇微區(qū)塑性變形。

3)表面吸附作用。氫離子吸附于裂紋面上降低裂紋表面能，從而降低裂紋擴(kuò)展阻力，加速裂紋擴(kuò)展。

以上這3種作用或有利于異常白色組織的形成，或有利于裂紋的擴(kuò)展，或二者兼而有之。最終的結(jié)果是形成氫致（或氫助）異常白色組織剝落。一般認(rèn)為：軸承工作過程中接觸部位氫的滲入是主要原因。阻止氫的產(chǎn)生、滲入和在特定的區(qū)域富集，可有效提高軸承壽命。

表1 抗異常白色組織剝落鋼

圖6 Cr的作用機(jī)理

3）采用絕緣技術(shù)。軸承內(nèi)潤滑劑在電場的作用下易發(fā)生分解產(chǎn)生氫，在內(nèi)外圈安裝配合面涂覆絕緣層或使用陶瓷球隔絕靜電或電流，可避免異常白色組織剝落。

4）在滾動接觸面形成氧化膜等，避免新鮮金屬面接觸，避免氫的產(chǎn)生，如軸承制造過程對零件進(jìn)行發(fā)黑處理，或在潤滑劑中添加合適的添加劑（亞硝酸鈉、銅粉、鋁粉等），在軸承工作過程中依靠摩擦化學(xué)反應(yīng)在滾動接觸面形成氧化膜。

5）采用導(dǎo)電脂（如在脂中加入納米石墨）避免靜電影響。

6）通過滾動表面涂層，如鍍鎳，抑制氫的滲入，大幅度降低鋼中的氫含量，防止異常白色組織剝落。

關(guān)于異常白色組織的形成機(jī)理還有大量的研究工作要做。如果按正常白色組織形成機(jī)理解釋，即發(fā)生局部的大量塑性變形，則無法解釋異常白色組織的形態(tài)及其高硬度；如果單純按預(yù)先存在的裂紋面相互摩擦，則無法解釋異常白色組織疲勞剝落過程中白色組織區(qū)域形成速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出裂紋區(qū)域的形成速度。在實(shí)物觀察中，有些遠(yuǎn)離裂紋的地方就出現(xiàn)了白色組織；有些白色組織只出現(xiàn)在裂紋一側(cè)。氫的存在是加速裂紋形成為主，還是加速微區(qū)變形先形成白色組織為主，至今沒有定論。對異常白色組織的形成機(jī)理進(jìn)行深入研究，找出其產(chǎn)生的先導(dǎo)因素，才能有針對性地采取提高壽命的措施。