水泵軸承斷裂失效分析

張秀娟 吳繼青

（廣東珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

水泵軸承斷裂失效分析

張秀娟 吳繼青

（廣東珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

水泵常應用于供熱、制冷、中央空調及熱水器等家用或商用電器，而這些水泵的軸承是支撐離心泵轉子的關鍵零件，本文針對某廠家的水泵軸承的斷裂失效試樣，通過原材料化學成分測試、掃描電鏡及能譜分析、金相分析，結合相關文獻對水泵軸承斷裂失效原因及機理進行分析，并制定相應的預防措施。

水泵；軸承；斷裂；失效分析

水泵作為一種通用機械，廣泛應用于國民經濟的各個部門。無論是農業的灌溉、排澇，還是城市的給水和排水，都離不開水泵[1]。此外，現代水泵除了用于抽水以外，還可以抽送其他液體，甚至抽送帶有粒塊的漿狀物，如泥漿、煤漿、混凝土漿、紙漿及化工化學藥品水溶液。水泵也常應用于供熱、制冷、中央空調及熱水器等家用或商用電器，而這些水泵的軸承是支撐離心泵轉子的關鍵零件，斷裂、腐蝕、剝落和泄漏等是水泵軸承常見的失效模式，其中以斷裂的危害最大，因此對斷裂的失效模式進行深入分析并制定相應的預防措施十分必要。

本文針對應用于商用熱水器的不銹鋼臥式多級離心泵軸承斷裂失效試樣進行分析。

1 水泵鋼軸斷裂失效分析

1.1 成分測試

通過直讀光譜儀對水泵軸承進行成分測試，其測試結果如表1所示。

從表1中材料的元素成分及含量可知：斷軸水泵軸的化學成分符合要求。

1.2 斷口表面形貌分析

利用掃描電鏡，進行斷口表面形貌分析，具體情況如圖1～圖4。

結合掃描電鏡斷口表面形貌分析如下：

（1）兩軸（軸1、軸2）斷裂情況基本相同，斷口顏色呈暗灰色，說明有夾雜物存在（如圖1，圖2紅色方框所示）。夾雜缺陷處可以看到明顯的向周圍擴展的呈輻射狀的紋跡。

（2）從圖4可以看出微觀斷口有大量韌窩存在，又因斷口處發生可察覺的塑性變形，可以斷定軸的斷裂類型為韌性斷裂。

（3）圖4中可以觀察到微觀孔洞在第二相金屬顆粒處形成，有的韌窩中有明顯的第二相顆粒，有的韌窩中第二相顆粒已與基體分離。第二相的存在也是引起金屬材料斷裂的主要原因。

1.3 能譜分析

應用掃描電鏡，通過對軸斷口表面元素進行點掃描和面掃描。點掃描發現夾雜物主要為Si-Ca化合物和FeS夾雜；面掃描分析可以看出材料元素分布不均勻，具體如圖5、圖6所示。雜質元素的存在，影響了材料的組織結構，此缺陷的存在成為軸在運行中斷裂的主要原因。

圖1 軸1斷口表面形貌

圖2 軸2斷口表面形貌

1.4 金相分析

對軸斷裂位置進一步進行金相分析，如圖7紅色方框所示，可以很清楚觀察到有夾雜物存在。

由于夾雜物的存在使鋼中的奧氏體晶粒組織分布不均，同時存在夾雜相[2]。夾雜相吸附于奧氏體晶界等晶體缺陷處，對軸材料性能有直接的影響[3]。

圖3 斷口夾雜區域放大

圖4 斷口的SEM形貌

2 斷裂失效機理及原因分析

斷裂失效是結構材料最主要和最具危險性的失效，其分類比較復雜，一般有如下幾種[4]：

（1）按斷裂機理分為滑移分離、韌窩斷裂、蠕變斷裂、解理與準解理斷裂、沿晶斷裂和疲勞斷裂；

（2）按斷裂路徑分為穿晶、沿晶和混晶斷裂；

（3）按斷裂性質分為韌性斷裂、脆性斷裂和疲勞斷裂。在失效分析實踐中大都采用這種分類法。

斷裂失效分析思路是從分析斷口的宏觀與微觀特征入手，確定斷裂失效模式，分析研究斷口形貌特征與材料組織和性能、零件的受力狀態以及環境條件(如溫度、介質等)等之間的關系，揭示斷裂失效機理、原因與規律，進而采取改進措施與預防對策。

從圖4可以看出微觀斷口有大量韌窩存在，可以斷定軸的斷裂類型為韌性斷裂。韌性斷裂又叫延性斷裂和塑性斷裂，即零件斷裂之前，在斷裂部位出現較為明顯的塑性變形。在工程結構中，韌性斷裂一般表現為過載斷裂，即零件危險截面處所承受的實際應力超過了材料的屈服強度或強度極限而發生的斷裂。

韌窩是金屬韌性斷裂的主要特征。韌窩又稱作迭波、孔坑、微孔或微坑等。韌窩是材料在微區范圍內塑性變形產生的顯微空洞，經形核、長大、聚集，最后相互連接導致斷裂后在斷口表面留下的痕跡[5]。在外界條件固定的情況下，材料的性能取決于材料的成分和組織結構以及排列方式和空間分布。韌性斷裂的形成過程為隨著應力的增加，直至斷裂。當外載達到屈服應力后，裂紋尖端不斷發生位錯，塑性區逐漸形成。只要外力不大于整體屈服應力，塑性區中位錯的反應力就要阻止裂紋尖端前方進一步的形變。當外載材料到達整體屈服后，塑性區完全橫貫整個試樣截面，與此同時裂紋尖端前方材料不斷發生加工硬化，裂紋本身的擴展一定要在外載不斷增加時才能進行。

由位錯理論可知，在夾雜物周圍堆積著位錯環，在沒有外力的作用時，位錯環受夾雜物的排斥作用以及位錯堆積應力的作用而保持平衡狀態[6]。當所施加的外力足夠大時，夾雜物周圍堆積的位錯會重新運動起來，位錯環向夾雜物運動。當其前沿所累積的彈性應變能足以克服夾雜物與基體之間的界面結合力而形成新表面時，便會形成顯微空洞。由于顯微空洞的形成使后面的位錯受到的排斥力大大降低，從而大量的位錯在外力的作用下向新生成的顯微空洞運動，使顯微空洞長大，原來存在于位錯環后面的位錯源，由于原來堆積位錯的約束消失而重新活躍起來，產生新的位錯環，并源源不斷地向顯微空洞運動，使顯微空洞做迅速的不穩定擴展及聚合[7]。由于位錯可以在不同的滑移面上堆積，因此顯微空洞可由一個或幾個滑移面上位錯的移動而形成，其它滑移面上的位錯向該顯微空洞運動而使其長大[8]。金屬內部形成的大量顯微空洞在外力的作用下不斷長大，同時幾個相鄰顯微空洞之間的基體橫截面在不斷縮小，直至彼此連接導致斷裂，形成韌窩斷口形貌。

圖5 軸斷裂表面的點掃描

圖6 軸斷裂表面的面掃描

3 分析結論及對策

綜上，此水泵316L不銹鋼軸斷裂原因為：鋼軸中存在夾雜物，且夾雜物作為獨立相存在，破壞了基體的連續性，引起應力集中，成為裂紋源。當軸受到外力作用時，夾雜物難以變形，而它周圍的金屬在很大張力下發生變形流動，使金屬和夾雜物界面分離，形成空隙，由此產生裂紋并加速其擴展，最終導致斷裂。

同時，鋼中存在組織不均勻性，使鋼的力學性能呈各向異性，不但影響鋼的橫向塑性，降低鋼的沖擊韌性和斷面收縮率，嚴重時會使鋼的塑性和韌性降低導致軸的早斷。

圖7 斷口金相組織

表1 316L不銹鋼的元素成分及含量

水泵316L不銹鋼軸內存在夾雜物導致斷裂，預防措施如下：

（1）落實廠家核查其水泵鋼軸的制造過程，針對鋼軸中存在夾雜物問題進行針對性整改，如在冶煉過程加強除渣等，要求提供詳細的分析整改對策。

（2）加強來料檢驗，進一步安排對此廠家水泵增加各種非常規惡劣環境試驗，驗證軸的可靠性。

（3）相關技術人員在入廠檢驗階段定期解剖水泵，監控材料雜質含量及各項組織均勻性。

[1] 侯仰海. 農用水泵軸承材料的研究與應用[J]. 農機化研究, 2006, 12:178-179.

[2] 上海金屬學會. 金屬材料缺陷金相圖譜[M]. 上海:上海科學技術出版社, 1996.

[3] 劉天佑. 鋼材質量檢測[M]. 北京:冶金工業出版社, 1999.

[4] 鐘培道. 斷裂失效分析[J]. 理化檢驗. 物理分冊. 2005 (07)

[5] 張棟, 鐘培道等. 失效分析[M]. 北京:國防工業出版社, 2004.

[6] 張麗萍, 葛建軍, 趙愛軍. 淺談鋼中夾雜物的控制對鋼質量的影響[J]. 包鋼技術, 2002, 28(4):85-87.

[7] Bruno Charles De Cooman, John Gordon Speer. Materials Design-The Key to Modern Steel Products [M]. Bad Harzburg: GRIPS Media Gmbh,2007:47-48.

[8] Gladman T. The Physical Metallurgy of Microalloyed Steels[M]. London, The Institute ofMetals, 1997:47-53.

Research of water pump bearing fracture failure reason

ZHANG Xiujuan WU Jiqing
(Gree Electric Appliance, INC.of Zhuhai Zhuhai 519070)

Pumps are often used in heating, cooling, central air conditioning and water heater and the water pump bearing is the key to support the rotor of the centrifugal pump parts. This paper aim at the failure of one manufacturer of water pump bearing samples, through raw material chemical composition test, scanning electron microscopy (SEM) and energy spectrum analysis (EDS) and metallographic analysis, combined with the literature analysis of fracture failure reason and mechanism of water pump bearing, and formulate the corresponding prevention measures.

Water pump; Bearing; Fracture; Failure analysis