滾動軸承接觸疲勞失效的分析方法

梁華，郭浩，王煜哲

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

由于制造和使用中各種因素的影響，滾動軸承的承載能力、旋轉(zhuǎn)精度等性能會發(fā)生變化，當其性能指標達不到使用要求時就產(chǎn)生了失效或損壞。影響軸承失效的因素很多，如設(shè)計、材料、制造、安裝條件、環(huán)境條件、維護保養(yǎng)等[1]。軸承失效分析表明，絕大部分是由于使用或維護不當所致，如軸承選型不合理，安裝、潤滑不良，密封失效，支承部位設(shè)計、制造缺陷和操作失誤等，但也有一小部分是由于軸承本身的材料或制造缺陷造成的[2]。

軸承常見的失效形式有疲勞剝落、磨損、塑性變形、腐蝕、燒傷、電腐蝕和保持架損壞等。GB/T 24611—2009/ISO15243：2004《滾動軸承 損傷和失效 術(shù)語、特征及原因》對軸承在使用中發(fā)生失效的特征、外觀變化及可能的原因進行了定義、描述和分類，將失效模式分為疲勞、磨損、腐蝕、電蝕、塑性變形、斷裂或開裂6大類。

1 接觸疲勞失效

軸承疲勞指由滾動體與滾道接觸處產(chǎn)生的重復(fù)應(yīng)力引起的組織變化。疲勞明顯地表現(xiàn)為金屬材料以不同的尺寸和形態(tài)從滾道或滾動體表面剝落。按照GB/T 24611標準，疲勞又分為次表面起源型疲勞和表面起源型疲勞。

1.1 次表面起源型疲勞

次表面起源型疲勞是指在滾動接觸載荷作用下，某一深度(即次表面)開始出現(xiàn)顯微裂紋。對于潤滑充分和制造良好的軸承，剝落首先始于表面下的裂紋，并向滾動接觸表面擴展，進而產(chǎn)生小片狀剝落、片狀剝落(麻點)，然后剝離。大多數(shù)學(xué)者認為，顯微裂紋的出現(xiàn)常常是由軸承鋼中的夾雜物引起，Lundberg 等人假設(shè)，最大正交剪切應(yīng)力導(dǎo)致了裂紋的產(chǎn)生，而這一剪切應(yīng)力位于表面下某一深度處。甚至還進一步假設(shè)，疲勞裂紋形成于材料表面下的缺陷點，這些缺陷點包括微觀夾雜物和晶格位錯。微觀夾雜物比較容易理解，而晶格缺陷則是指對于質(zhì)量合格的產(chǎn)品，由于接觸應(yīng)力導(dǎo)致組織變化，從而產(chǎn)生微裂紋(形核)，最終由微裂紋擴展、連通并造成疲勞剝落，不過，這一過程需要的時間很長，即疲勞壽命很長[3]。

1.2 表面起源型疲勞

表面起源型疲勞是由表面損傷導(dǎo)致的一種失效形式。表面損傷是在潤滑狀態(tài)惡劣且出現(xiàn)一定程度的滑動時，對滾動接觸金屬表面微凸體的損傷，這將引起微凸體顯微裂紋、顯微片狀剝落以及顯微片狀剝落區(qū)；另外由于污染物顆粒、儲運在滾道面上形成的壓痕或塑性變形壓痕也可導(dǎo)致表面起源型疲勞。表面起源型疲勞的典型特征是疲勞裂紋起源于零件表面并向內(nèi)部擴展。

對于用普通鋼材生產(chǎn)的民用軸承，疲勞模式失效所占比例較高；但對于特種軸承，由于鋼材冶煉及加工質(zhì)量均較好，且大多設(shè)計安全系數(shù)較高，故疲勞模式失效的比例相對較低，大多是表面起源型疲勞。

金屬的早期疲勞一般起源于金屬材料的冶金缺陷，以及表面加工缺陷、孔邊、溝槽、缺口等應(yīng)力集中部位。疲勞的顯微特征分為疲勞源區(qū)和疲勞裂紋擴展區(qū)。疲勞源區(qū)的主要特征是可以找到由夾雜物或第二相質(zhì)點引起的疲勞裂紋萌生，或呈放射狀特征的疲勞源[4]。由于軸承具有較高的硬度和轉(zhuǎn)速，故因裂紋形成的疲勞條紋(或輝紋)極少見到。

2 分析方法

對于失效分析人員來說，軸承疲勞剝落比較常見，但要查找到導(dǎo)致疲勞失效的原因卻并不容易。主要有以下原因：1)軸承材料一旦發(fā)生剝落，剝落區(qū)面積擴展速度往往很快，且很容易被擠壓磨損，故很難確定疲勞源區(qū)，斷口分析難度也很大，甚至無法進行；2)材料剝落后很難找到，如果剝落區(qū)存在缺陷而又無殘留在原始部位，就無法找到準確的原因。這就要求分析人員要將分析方案考慮周全。

通常軸承失效分析大體可分為失效實物和背景材料的收集；對失效實物的宏觀檢查和微觀分析等步驟[5]。

2.1 失效實物和背景材料的收集

應(yīng)該盡可能地收集到失效實物的各個零件和殘片；盡量多地了解失效軸承的實際工作條件、使用過程和制造質(zhì)量等情況，這對于正確進行失效分析必不可少。

將背景材料收集齊全很難，但收集到的資料愈多，越有利于得出正確的分析結(jié)論。

2.2 宏觀檢查

對失效軸承進行宏觀檢查，包括尺寸精度測量和表面狀態(tài)檢查分析，是失效分析最重要的環(huán)節(jié)。總體外觀檢查可了解軸承失效的概貌和損壞部位的特征，估計造成失效的起因；仔細查看缺陷的大小、形狀、部位、數(shù)量和特征則有利于正確選擇試樣截取的部位和尺寸，并為進一步的微觀檢查和分析做好準備。

宏觀檢查的結(jié)果有時也可基本判斷失效的形式和原因，但要進一步確定失效的性質(zhì)，取得更多的證據(jù)，還須進行微觀分析。

2.3 微觀分析

失效軸承的微觀分析包括化學(xué)成分、硬度、光學(xué)金相、電子顯微分析、探針和電子能譜分析等。主要是根據(jù)失效特征區(qū)的成分差異、微觀組織結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能變化以及對疲勞源、裂紋源的分析為失效分析提供更充分的判據(jù)或反證，故微觀分析非常重要。微觀分析中最常用且簡單的方法是光學(xué)金相分析和硬度檢測。

3 案例分析

某公司生產(chǎn)的雙半外圈球軸承，采用9Cr18鋼制造。該軸承在整個試驗過程中均無明顯異常，但在分解檢查時發(fā)現(xiàn)其中一粒鋼球表面有剝落現(xiàn)象，且剝落物塊在軸承腔內(nèi)找到，表明鋼球發(fā)生了早期失效。

3.1 宏觀檢查

經(jīng)拆套檢查發(fā)現(xiàn)：軸承的雙半外圈均光亮無變色，有明顯的運轉(zhuǎn)軌跡，其中一側(cè)較清晰，寬度約2 mm；在軸承的11粒鋼球中有一粒存在一處明顯的剝落坑，尺寸約為1.4 mm×1.5 mm，缺陷表面粗糙，凹凸不平，其形貌如圖1所示。

圖1 鋼球表面剝落坑形貌

鋼球剝落物形貌如圖2所示，呈薄片狀，內(nèi)、外表面形貌與鋼球表面剝落坑形貌基本匹配。其他未見明顯異常。

(a)內(nèi)表面 (b)外表面

3.2 鋼球剝落區(qū)微觀形貌觀察與分析

將剝落鋼球及其剝落物采用超聲波清洗烘干，然后放置在JSM-5610LV掃描電子顯微鏡下觀察微觀形貌。經(jīng)過低倍觀察發(fā)現(xiàn)：鋼球剝落坑整體呈蝶狀(圖3)。從圖3可以看出，左側(cè)白線標記處為發(fā)生剝落的裂紋源區(qū)，之后向四周擴展，局部有異物存在(圖4)。剝落物片的異物微觀形貌如圖5所示，從圖中可以看出，裂紋(斷裂)源區(qū)比較平坦，有磨損和擠壓的痕跡。觀察鋼球的剝落物可以確定其斷口與鋼球剝落坑斷口形貌相吻合，同一區(qū)域有異物存在，局部斷口有被磨損和擠壓的痕跡(圖5和圖6)。

圖3 鋼球表面剝落坑整體形貌

圖4 圖3之右上部放大(內(nèi)有異物存在)

圖5 剝落物片的異物微觀形貌

圖6 局部斷口被磨損擠壓

采用EDS7582能譜儀分別對鋼球內(nèi)和剝落物內(nèi)的異物進行微區(qū)成分分析，結(jié)果表明，異物的化學(xué)成分相同，主要為O，Ca，Si，S，Al和Mg等，推測為氧化物和硫化物的復(fù)合夾雜物，能譜曲線如圖7所示。

圖7 鋼球剝落區(qū)異物能譜曲線圖

3.3 金相檢查

將剝落鋼球按照圖3所示方向線切割并磨制成金相試樣，放置在顯微鏡下對剝落坑剖面進行金相檢查。腐蝕劑采用鹽酸苦味酸酒精溶液。原材料常規(guī)檢驗按照GB/T 3086—2008《高碳鉻不銹軸承鋼》標準，熱處理質(zhì)量按照JB/T 1460—2011《滾動軸承 高碳鉻不銹鋼軸承零件 熱處理技術(shù)條件》標準評定，檢驗結(jié)果見表1。

表1 剝落鋼球的材料及淬回火組織 級

由表1可知：1)鋼球剝落坑的底部存在呈堆積狀態(tài)的夾雜物(圖8)，參照GB/T 3086—2008標準判定為不合格；2)夾雜物的分布與鋼球底部裂紋相連通，說明裂紋的擴展方向是沿著夾雜物進行的；3)鋼球淬、回火組織符合JB/T 1460—2011標準要求。

為了給鋼球底部的夾雜物定性，將經(jīng)過金相分析的鋼球再進行電鏡及能譜分析，夾雜物形貌及分布位置如圖9和圖10所示。結(jié)果表明，鋼球剖面處的剝落深度為0.18 mm，夾雜物的分布深度為0.26 mm，其中淺灰色夾雜物(呈現(xiàn)為條塊狀，有一定塑性)主要成分為Fe，Cr，O，S和Si，深灰色夾雜物(呈點、鏈狀分布，有一定脆性)的主要成分為Cr，F(xiàn)e，O，Mn，Si和Ca。由此可以確定鋼球內(nèi)的夾雜物為氧化物和硫化物的復(fù)合型夾雜物。

圖9 鋼球剝落坑底部的夾雜物及尺寸

圖10 圖9局部放大(夾雜物形貌)

3.4 熱酸洗檢查

將從剝落鋼球上切割下的部分材料按照GB/T 226—1991《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》進行熱酸洗，結(jié)果表明：1)鋼球的解剖方向正好為材料的軋制方向；2)鋼球的剝落坑為任意部位，與兩極和赤道的位置無關(guān)。

3.5 結(jié)果分析

1)從軸承零件的外觀形貌、運行軌跡來看，認為軸承所承受的力為軸向力和徑向力。其中外圈的運轉(zhuǎn)軌跡偏向套圈非基準端面一側(cè)，內(nèi)圈的運轉(zhuǎn)軌跡偏向基準端面一側(cè)，運轉(zhuǎn)軌跡均勻、無偏斜。

2)微觀觀察的結(jié)果表明：剝落面呈現(xiàn)為凹凸不平的鱗狀剝落，擴展特征為海灘狀花樣且剝落坑底部存在較多夾雜物。判定軸承的失效模式為次表面起源型接觸疲勞，鋼球為首先失效件。

3)當大量的夾雜物分布在材料表層或次表層時，不僅破壞了材料的連續(xù)性，還會造成局部應(yīng)力集中形成疲勞裂紋源，從而造成材料局部產(chǎn)生疲勞剝落[6]。金相和電鏡觀察均發(fā)現(xiàn)鋼球剝落坑的底部存在有較多的夾雜物并與裂紋相連通，說明夾雜物是導(dǎo)致鋼球疲勞剝落的主要原因。

4 結(jié)束語

對滾動軸承來說，疲勞剝落作為一種失效模式導(dǎo)致的結(jié)果是很容易判斷的，但要尋找到導(dǎo)致失效的根本或主要原因則需要做一系列的分析。文中所述的案例屬于材料夾雜物導(dǎo)致的次表面起源型疲勞，也是比較常見的一種。另外還有潤滑不良或表面損傷導(dǎo)致的表面起源型疲勞，雖然文中尚未涉及，但分析方法和思路大同小異。