某桿端自潤滑關節軸承斷裂原因分析

(1. 上海市軸承技術研究所, 上海 201801；2. 陸軍航空兵軍事代表局駐上海地區軍事代表室， 上海 200233；3. 上海軌道交通檢測技術有限公司 鑄鍛熱檢測中心， 上海 200434)

桿端自潤滑關節軸承是多方向運動機構中不可缺少的支撐部件和連接部件，其由帶有螺紋的桿體、軸承內圈、外圈和內外圈間的自潤滑材料組成，可以承受徑向載荷和軸向載荷，實現高頻率下多方向的往復(調心和圍繞軸心線的擺動)運動，其螺紋主要用于安裝與固定[1]。在應用中，桿端的測滑關節軸承的失效形式主要是磨損,而螺紋的斷裂是不常見，因此有必要對螺紋斷裂的桿端自潤滑關節進行失效分析。

某桿端自潤滑關節軸承桿體的主要加工工藝為：備料→鍛造→鍛造后熱處理→粗車加工→熱處理→精車加工→外螺紋冷滾壓成形、銑槽。該桿端自潤滑關節軸承在拉壓循環載荷疲勞試驗中(試驗示意圖如圖1所示)，在第101 763次拉壓后軸承桿體螺紋部位發生斷裂，斷裂部位如圖2所示，原設計壽命為50萬次。失效零件主要的外形尺寸：桿端體總長91 mm，螺紋長42 mm，螺紋為MJ12×1.25 mm。試驗載荷(3 000±9 600) N；載荷變化頻率為3 Hz，水平方向反復加載。桿體材料為05Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化型不銹鋼，其具有較高的強度、硬度和耐腐蝕能力，對大氣及稀釋酸或鹽都具備良好的耐腐蝕能力，廣泛應用于船舶、航天、航空、核電等領域。

圖1 桿端疲勞試驗示意圖Fig.1 Structure diagram of fatigue test at rod end

圖2 斷裂桿體宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fractured rod

1 理化檢驗

1.1 斷口分析

1.1.1 斷口宏觀分析

斷裂發生在桿端自潤滑關節軸承桿體螺紋部位，圖3為斷口的宏觀形貌。可見斷裂發生在桿體螺紋根部，裂紋起始于斷面槽口右側邊緣尖角處，向左上部分擴展，擴展區約占整個斷面的90%(面積分數)，斷面大部分平整，無明顯的塑性變形。而左側斜向分布有狹帶，并伴有變形拉裂，該區域為終斷區。

1.1.2 斷口微觀分析

采用掃描電鏡(SEM)對斷口的起始區、擴展區、終斷區進行進一步的形貌分析。圖4 a)和b)分別為斷口起始區的低倍、高倍形貌，可見斷口起始區平坦，未發現有大顆粒夾雜、氧化等缺陷。圖4 c)和d)為斷口擴展區的微觀形貌，圖4 c)可見有典型明暗相間的疲勞輝紋沿著斷口裂紋的發展方向平行分布，具有典型的疲勞特征，這是在循環試驗載荷下形成的；圖4 d)可見斷口上平行分布著二次裂紋。

圖3 斷口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of fracture: a) the side; b) the front

圖4 斷口微觀形貌Fig.4 Micro morphology of fracture:a) the low magnification morphology of fracture source region; b) the high magnification morphology of fracture source region; c) morphology of fatigue striation of crack propagation region; d) morphology of secondary cracks parallel to fracture; e) the low magnification morphology of final fracture region; f) the high magnification morphology of final fracture region

圖4 e)和f)為斷口終斷區的低倍、高倍形貌，可見此區域狹窄，且存在塑性變形，因裂紋不斷擴展，導致桿體連接面積小，剩余連接位置承受應力增大而產生變形斷裂，斷口終斷區在高倍下可見韌窩形貌。

1.3 化學成分分析

按照GB/T 11170—2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法(常規法)》、GB/T 20123—2006《鋼鐵 總碳硫含量的測定 高頻感應爐燃燒后紅外吸收法(常規方法)》對斷裂桿體進行化學成分分析，結果見表1。可見斷裂桿體符合GB/T 1220—2007 《不銹鋼棒》對05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼的成分要求[2]。

表1 斷裂桿體的化學成分 (質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the fractured rod (mass fraction) %

1.4 金相檢驗及硬度測試

桿體熱處理工藝為：桿體固溶處理溫度1 040 ℃+時效溫度560 ℃。經復查，斷裂桿體的熱處理工藝及過程符合工藝規范技術要求。采用金相顯微鏡和洛氏硬度計對斷裂桿體進行金相檢驗和硬度檢測。圖5為斷裂桿體的顯微組織形貌，可見斷裂桿體的顯微組織均勻，為索氏體+彌散分布析出相。硬度測試結果為37.2 HRC，符合設計硬度36～39 HRC的技術要求。

圖5 斷裂桿體的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of the fractured rod

2 分析與討論

上述理化檢驗結果可初步判定該桿端自潤滑關節軸承的斷裂形式為疲勞斷裂。疲勞斷裂對表面缺陷非常敏感[3]，斷口的裂紋起始點也是在邊緣。通過掃描電鏡對斷裂桿體不同部位的螺紋表面進行觀察，可見其上分布有裂紋和表面缺陷。

圖6為斷裂桿體螺紋根部的形貌，圖6 a)為未斷裂處螺紋根部的形貌，可見螺紋外表面有周向分布的痕跡，部分呈細溝狀，在拉應力下因應力集中而引發不同程度的開裂；圖6 b)為近斷口起始區外表形貌，斷口附近可見類似的裂紋分布。

圖6 螺紋根部微觀形貌Fig.6 Micro morphology of thread root:a) unfractured thread root;b) external surface near fracture source region

對周向分布的裂紋進行縱向切割制樣，采用金相顯微鏡觀察裂紋在縱截面上的分布情況，如圖7所示。可見螺紋表面、根部有滾壓成形工藝帶來的纖維狀金屬流線，其顯微組織正常。螺紋根部存在不同擴展趨勢的裂紋，裂紋呈折向分布，尾段分叉，表現出應力腐蝕開裂現象。裂紋從螺紋根部向桿體內部擴展，部分螺紋根部的裂紋深度達0.25～0.45 mm，裂紋邊緣未見氧化、脫碳等現象。

圖7 螺紋根部裂紋分布形貌Fig.7 Distribution morphology of cracks at thread root:a) distribution morphology of cracks;b) morphology of crack tail bifurcation

由以上分析可知，斷裂桿體的化學成分符合標準要求，其顯微組織正常，無明顯偏析、夾雜等缺陷，硬度也在設計范圍之內。桿體斷口有明顯的裂紋起始區、擴展區和終斷區，存在疲勞輝紋和韌窩，桿體整體表現為疲勞斷裂；在同一零件未斷裂的螺紋根部表面可見周向分布的痕跡，部分呈細溝狀，呈現不同程度的開裂，裂紋向桿體內部延伸擴展。

因此排除了桿體原材料成分和組織不符合標準而導致的開裂。斷口和裂紋邊緣未見氧化、脫碳等現象，結合桿體加工工藝，說明裂紋的萌生和擴展發生在熱處理工藝之后。在外螺紋的最終加工工藝冷滾壓成形工藝中，螺紋(尤其是根部)表面受到了周向細溝狀損傷。螺紋底部較螺紋頂部等部位來說，其截面小應力大，對于缺陷的敏感度更高，且細痕引起附加的應力集中，引發了疲勞開裂，在循環的疲勞試驗載荷下，裂紋向桿體內部不斷擴展，最終導致了桿體的斷裂[4-6]。

3 結論及建議

桿端自潤滑關節軸承桿體的斷裂是由于螺紋在冷滾壓成形工藝中，表面受到周向細溝狀損傷而引發疲勞開裂，在應力最大處發生斷裂。

建議在外螺紋的冷滾壓成形工藝中，提高螺紋的表面加工質量，減少表面缺陷。另外在零件的壽命設計時考慮加工制造工藝可能造成的附加應力集中因素，以提高零件的疲勞可靠性[7]。