正常條件下工作的軸承，在接觸疲勞應力的作用下也會出現白色組織，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生白色組織的過程為：在較高的工作載荷下，經過大量的接觸應力循環(huán)后，接觸區(qū)下次表層首先出現類似高溫回火的黑色組織，而后在黑色組織中出現與滾動方向呈30°左右的白色條帶，繼而出現與滾動方向呈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致的疲勞剝落出現，這種正常白色組織剝落的壽命極長，如在3 000 MPa的最大接觸應力下，軸承壽命可達1.0×1010 r以上。

圖1 深溝球軸承內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（如電機軸承），工作中內部存在較大滑動的軸承（調心滾子軸承）或受到沖擊、振動等的軸承（如磨碎機齒輪箱軸承、風電齒輪箱軸承等），在滾動接觸面下的次表層中出現不規(guī)則的塊狀白色組織，白色組織中伴生有裂紋。出現該組織時，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構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75HRC，且其內還有非常細小的碳化物析出。

圖3 異常白色組織剝落

國內外研究者對產生異常白色組織的機理開展了大量的工作，但對其形成機理尚未統(tǒng)一的認識。一種機理是氫致脆性剝落。另一種則認為由于鋼中裂紋面的相互摩擦而產生，即在白色組織形成之前，鋼中已經存在裂紋（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。其產生機理如圖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)生摩擦化學反應，分解產生氫原子或離子，氫原子吸附于接觸面并向金屬內擴散，在最大剪應力區(qū)的微小缺陷處聚集，當氫含量大于某一臨界值Hc時，最終形成白色組織剝落。原奧氏體晶界為氫擴散和聚集的優(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，潤滑油進入裂紋內，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生摩擦化學反應促進潤滑油分解，從而產生氫離子，靠近裂紋尖端處產生白色組織，加速裂紋擴展，如圖5所示。

圖5 潤滑油進入導致的白色組織裂紋擴展

關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烈。但由于氫離子在鋼中擴散與聚集的不均勻性，使其在不同區(qū)域產生的白色組織呈現不規(guī)則的異常形態(tài)。如原奧氏體晶界，空穴、位錯密度高于晶內，有利于氫離子的擴散和聚集，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；又如裂紋擴展時，裂紋尖端附近的區(qū)域應力較高，發(fā)生微區(qū)變形，產生較高的位錯密度，有利于氫離子的聚集，使這些區(qū)域更易于產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展。

對于氫滲入鋼中后如何加速白色組織形成和裂紋擴展有多種假設：

1）內壓作用。滲入鋼中的氫離子在缺陷（如密集的位錯、晶界、夾雜物、碳化物）處聚集結合成H2，體積增大，產生內壓，造成高的應力集中，與外加應力疊加促進微區(qū)變形。當內壓足夠大時，超過材料的微觀斷裂強度，直接產生裂紋。

2）降低位錯運動阻力，削弱金屬鍵的結合力。鋼中的氫離子向位錯處擴散，與位錯結合，降低位錯運動阻力，同時因削弱金屬鍵的結合力，使局部的位錯更容易運動，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，從而降低裂紋擴展阻力，加速裂紋擴展。

以上這3種作用或有利于異常白色組織的形成，或有利于裂紋的擴展，或二者兼而有之。最終的結果是形成氫致（或氫助）異常白色組織剝落。一般認為：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的作用機理

3）采用絕緣技術。軸承內潤滑劑在電場的作用下易發(fā)生分解產生氫，在內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，避免氫的產生，如軸承制造過程對零件進行發(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反應在滾動接觸面形成氧化膜。

5）采用導電脂（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。

關于異常白色組織的形成機理還有大量的研究工作要做。如果按正常白色組織形成機理解釋，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)域形成速度遠遠超出裂紋區(qū)域的形成速度。在實物觀察中，有些遠離裂紋的地方就出現了白色組織；有些白色組織只出現在裂紋一側。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理進行深入研究，找出其產生的先導因素，才能有針對性地采取提高壽命的措施。