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XRD Residual Stress Analysis for the Clarification of Failure Modes of Rolling Bearings*

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Published/Copyright: May 31, 2013
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HTM Journal of Heat Treatment and Materials
From the journal HTM Journal of Heat Treatment and Materials Volume 62 Issue 1

Abstract

Material conditions of rolling bearings, which are assessed by X-ray diffraction (XRD) measurements, point to a variety of load possibilities especially at raceway surfaces. Due to clearly distinguishable damage symptoms, it is differentiated between the (near-) surface and sub-surface failure mode in the literature. Surface distress of different intensity can be generated by particle-contaminated lubricants that result in raceway indentations. These micro-Hertzian contacts may lead to changes in residual stress and line broadening and in the microstructure. Another cause of surface distress is boundary lubrication. Relevant position and nature of the failure mechanisms are characterized. In the case of initial material stabilization, the time alterations of the XRD parameters correlate with the statistical parameter of the 10% bearing life. Contrary to the L10 equivalent value for sub-surface failures, i.e. classical rolling contact fatigue, which lead to spalling only a long time after incipient material softening, in the surface damage mode the L10 life roughly coincides with the beginning of the instability phase. Surface pitting or gray staining occrs frequently without distinct XRD indication of material aging. Here, scanning electron microscopy and electron microprobe analysis point to corrosion rolling contact fatigue as crack propagation mechanism. The interaction between material and lubricant opens up new research areas in the field of tribology.

Kurzfassung

Werkstoffzustände von Wälzlagern, die durch Röntgenbeugungsmessungen ausgewertet werden, weisen auf eine Vielzahl von Beanspruchungsmöglichkeiten, insbesondere an Laufbahnoberflächen, hin. Wegen eindeutig zuordenbarer Schadensmerkmale wird in der Literatur zwischen dem Oberflächen- und dem Tiefenausfallmodus unterschieden. Oberflächenbeanspruchung verschiedener Stärke kann durch partikelverunreinigte Schmierstoffe, die Laufbahneindrückungen erzeugen, verursacht werden. Diese Hertz'schen Mikrokontakte können zu Veränderungen der Eigenspannung und Linienbreite sowie des Gefüges führen. Eine andere Ursache der Oberflächenbeanspruchung stellt Mischreibung dar. Maßgeblicher Ort und Typ der Versagensmechanismen werden beschrieben. Im Fall anfänglicher Werkstoffstabilisierung korrelieren die zeitlichen Änderungen der XRD Kennwerte mit dem statistischen Parameter der 10%-Lagerlebensdauer. Im Gegensatz zum L10-Äquivalentwert für Tiefenausfälle, d.h. klassische Wälzermüdung, die erst lange Zeit nach einsetzender Werkstoffentfestigung zur Schälung führen, stimmt die L10-Lebensdauer im Oberflächenschadensmodus ungefähr mit dem Beginn der Instabilitätsphase überein. Oberflächengrübchenbildung oder Graufleckigkeit tritt oft ohne merkliche röntgenografische Anzeichen für Werkstoffalterung auf. Hier weisen Rasterelektronenmikroskopie und Elektronenstrahlmikroanalyse auf Korrosionswälzermüdung als Risswachstumsmechanismus hin. Die Wechselwirkung zwischen Werkstoff und Schmierstoff erschließt neue Forschungsfelder im Bereich der Tribologie.

Dedicated to Professor Dr. Michael Schaper on the occasion of his 65th birthday

*

Revised lecture held by M. Brückner at the 7th European Conference on Residual Stresses, ECRS 7, 12–15 September 2006

Dipl.-Phys. Wolfgang Nierlich, born in 1940, studied Physics at the University of Würzburg. From 1970 to 2005, he was Head of the Department of Material Physics of the SKF GmbH in Schweinfurt.

Priv.-Doz. Dr. rer. nat. Jürgen Gegner, born in 1961, studied Physics at the University of Erlangen-Nuremberg and was awarded his diploma in 1989. He received his doctor's degree in Materials Science at the Max Planck Institute of Metals Research in 1994 by the Faculty of Chemistry of the University of Stuttgart. Since 2000, he has been working with the SKF GmbH in Schweinfurt at the Department of Material Physics, from 2005 on as its Head. In 2005, he completed his Habilitation thesis at the Faculty of Mechanical Engineering at the University of Siegen and received the Venia Legendi in Material Engineering.

Dipl.-Ing. Mandy Brückner, born in 1979, studied Material Engineering at the Freiberg University of Technology and was awarded her diploma in 2004. Since 2005, she works with the SKF GmbH in Schweinfurt at the Department of Material Physics.

Literatur

1. Nierlich, W.; Gegner, J.: Material Response Analysis of Rolling Bearings using X-Ray Diffraction Measurements. Proc. 4th Int. Congr. Materials-Week, Munich, Werkstoffwoche-Partnerschaft, 2001, CD-ROM.–ISBN 3-88355-302-6.Search in Google Scholar

2. Gegner, J.: Materialbeanspruchungsanalyse und ihre Anwendung auf Prüfstandsversuche zum Oberflächenausfall (Nierlich-Schadensmodus) von Wälzlagern. Mat.-wiss. u. Werkstofftech.37(2006), p. 249.10.1002/mawe.200501000Search in Google Scholar

3. Muro, H.; Tsushima, N.: Microstructural Micro hardness and Residual Stress Changes due to Rolling Contact. Wear15(1970), p. 309.10.1016/0043-1648(70)90176-6Search in Google Scholar

4. Voskamp, A. P.: Microstructural Changes During Rolling Contact Fatigue–Metal Fatigue in the Subsurface Region of Deep Groove Ball Bearing Inner Rings. Doctor Thesis, Delft University of Technology, The Netherlands, 1996.Search in Google Scholar

5. Nierlich, W.; Voskamp, A. P.; Hengerer, F.: Röntgenographische Werkstoffbeanspruchungsanalyse zur Beurteilung der Ausfallwahrscheinlichkeit von Wälzlagern. VDI-Berichte1380(1998), p. 113.Search in Google Scholar

6. Voskamp, A. P.: Ermüdung und Werkstoffverhalten im Wälzkontakt. Härterei-Techn. Mitt.53(1998), p. 25.Search in Google Scholar

Received: 2006-11
Published Online: 2013-05-31
Published in Print: 2007-02-01

© 2007, Carl Hanser Verlag, München

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  1. Inhalt/Contents
  2. Inhalt
  3. Kurzfassungen/Summaries
  4. Kurzfassungen/Summaries
  5. Fachbeiträge/Technical Contributions
  6. Modellierung des Pyrolyseverhaltens von Ethin unter den Bedingungen des Niederdruckaufkohlens von Stahl*
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  10. XRD Residual Stress Analysis for the Clarification of Failure Modes of Rolling Bearings*
  11. Wälzermüdung
https://doi.org/10.3139/105.100405

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