軸承套圈的裂紋和斷裂失效特征及原因

無論是軸承在進(jìn)行加工生產(chǎn)中，還是使用工作當(dāng)中，軸承套圈裂紋和斷裂是常見的一種損傷的想象，分享有關(guān)軸承套圈的裂紋和斷裂失效特征以及相應(yīng)的失效原因所在。

1、此軸承套圈結(jié)構(gòu)

軸承套圈比普通套圈多二條密封槽，此結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定它比普通套圈更容易引起應(yīng)力集中。

2、軸承套圈裂紋形貌和斷口特征

2.1裂紋形貌分析

1)淬火裂紋)：裂紋細(xì)長(zhǎng)，彎曲不規(guī)則地分布在套圈外表面，裂紋起始端在密封槽(應(yīng)力最集中的位置)。從裂紋的周邊和末端形貌上可看到裂紋深0.2mm，平直無分枝，周邊無氧化脫碳區(qū)，裂尖銳利。原因是裂紋在淬火快速冷卻過程中形成，隨后套圈不再經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱，因此裂紋周圍無氧化脫碳區(qū)。

2)鍛造水裂裂紋)：裂紋起始于端面倒角處，沿軸向延伸。普通鍛造裂紋是鍛加工后沿晶界出現(xiàn)的表面龜裂狀開裂，而鍛造水裂裂紋是鍛造成形的高溫套圈掉入地面積水中，套圈部分區(qū)域在積水中被淬火所造成。再?gòu)牧鸭y周邊和末端形貌上可看到，裂紋深0.5mm，平直無分枝，周邊有氧化脫碳區(qū)，裂尖圓鈍。原因是軸承套圈在鍛造后再需退火，在退火過程中裂紋經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱，使裂紋周邊產(chǎn)生氧化、脫碳。

3)車削裂紋：裂紋短而直，沿套圈圓周方向(即車刀運(yùn)動(dòng)方向)斷斷續(xù)續(xù)地平行分布，再?gòu)牡牧鸭y周邊和末端形貌來看，裂紋深0.1mm，無分枝和氧化脫碳區(qū)、裂尖銳利。原因是車削裂紋也在淬火過程中形成，以后不再經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱，所以裂紋周圍無氧化脫碳區(qū)。

4)磨削裂紋：裂紋呈網(wǎng)狀分布，其形貌與熱處理表面龜裂相似但有區(qū)別，磨削裂紋套圈的表面有時(shí)伴隨出現(xiàn)帶狀回火區(qū)域，熱處理表面龜裂的原因是表面脫碳，而冷酸洗時(shí)未發(fā)現(xiàn)表面脫碳，因此表面網(wǎng)狀裂紋是磨削裂紋。再?gòu)牧鸭y周邊和末端形貌來看，裂紋深0.08mm，無分枝和氧化脫碳區(qū)，裂尖銳利。原因是磨削裂紋形成后也不再經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱，因此裂紋周圍無氧化脫碳區(qū)。

2.2斷口特征分析

1)淬火裂紋斷口：由灰色粗結(jié)晶狀斷口區(qū)組成，根據(jù)JB1255—91標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定為過熱斷口

2)鍛造水裂斷口：斷口由淺灰色細(xì)瓷狀脆性斷口區(qū)組成，按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)為正常斷口，但在滾道一側(cè)有寬2mm、長(zhǎng)16mm的黑色斷口區(qū)，而在黑色斷口區(qū)與淺灰色斷口區(qū)交界處有多條極細(xì)的放射線，這表明黑色斷口區(qū)為裂紋源。

3)車削裂紋斷口：斷口平直，由灰色細(xì)瓷狀脆性斷口區(qū)組成，按標(biāo)準(zhǔn)評(píng)為正常斷口。此外在斷口上還可看到短的徑向裂紋與套圈內(nèi)表面粗車刀痕相連，這表明裂紋是在粗車刀痕根部起裂并朝徑向擴(kuò)展而形成，在外力作用下它進(jìn)一步加深。

4)磨削裂紋斷口：斷口由淺灰色細(xì)瓷狀脆性斷口區(qū)組成，按標(biāo)準(zhǔn)可評(píng)為正常斷口，此外在斷口上也有放射線，但無黑色斷口區(qū)。

3、裂紋形成原因及預(yù)防措施

1）淬火裂紋的形成原因是由于在振底式氮?dú)獗Ｗo(hù)爐內(nèi)部分套圈被粘住，而未能按節(jié)拍振出高溫加熱區(qū)，導(dǎo)致淬火加熱溫度過高，加熱時(shí)間過長(zhǎng)，使奧氏體晶粒變粗，碳化物溶解過多，在淬火過程中形成粗大馬氏體，伴隨產(chǎn)生很大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，當(dāng)套圈應(yīng)力集中處(密封槽)的應(yīng)力超過原子間結(jié)合力則產(chǎn)生微裂紋，隨后微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展形成淬火裂紋。預(yù)防措施是清理振底式氮?dú)獗Ｗo(hù)爐爐膛粘狀物，防止套圈加熱時(shí)被粘住。

2）鍛造水裂裂紋的形成原因是鍛加工時(shí)操作人員不慎將剛鍛造成形的高溫套圈掉入機(jī)床附近的地面積水中，預(yù)防措施是排除地面積水或防止套圈掉入積水。

3）車削裂紋的形成原因是淬火冷卻時(shí)在粗車刀痕處產(chǎn)生應(yīng)力集中，使刀痕根部開裂產(chǎn)生微裂紋并徑向擴(kuò)展。預(yù)防措施是使操作人員正確地執(zhí)行操作工藝，避免產(chǎn)生粗車刀痕。

4）磨削裂紋的形成原因是磨削過程中采用鈍磨輪和大進(jìn)給量高速磨削，使套圈表面溫度達(dá)820～840℃，套圈表面部分區(qū)域被重新奧氏體化，這部分奧氏體在冷卻液作用下再次被淬火成馬氏體(二次馬氏體)，由此產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，結(jié)果在套圈表面形成網(wǎng)狀磨削裂紋。預(yù)防措施是及時(shí)修整磨輪，避免采用大進(jìn)給量高速磨削，減少磨削熱。

4、軸承套圈不同類型的裂紋的特點(diǎn)總結(jié)：

1）淬火裂紋：裂紋呈不規(guī)則線條狀，起始于應(yīng)力集中區(qū)(如棱角、凹槽、夾雜物等部位)，裂紋周邊無氧化脫碳區(qū)，裂尖銳利，過熱斷口。

2）鍛造水裂裂紋：裂紋較深，起始于水浸部位，裂紋周邊有氧化脫碳區(qū)，裂尖圓鈍，正常斷口。

3）車削裂紋：裂紋較淺，呈直線狀，起始于粗車刀痕根部，裂紋斷斷續(xù)續(xù)地沿車刀運(yùn)動(dòng)方向平行分布，裂紋周邊無氧化脫碳區(qū)，裂尖銳利，正常斷口。

1. 磨削裂紋：裂紋較淺呈網(wǎng)狀，磨削表面常伴隨出現(xiàn)帶狀回火區(qū)，裂紋周邊無氧化脫碳區(qū)，裂尖銳利，正常斷口。

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軸承套圈鍛造過程常見的幾種缺陷

軸承套圈在鍛造過程中，由于軸承鋼材材料缺陷，鍛造加工工藝，加工設(shè)備及人為因素等導(dǎo)致的套圈裂紋、過燒、凹陷、鍛造折疊及濕裂等缺陷，這些缺陷即可造成軸承損壞，又會(huì)給軸承壽命造成影響，導(dǎo)致軸承早起破損。下面分享有關(guān)軸承套圈鍛造過程中常見的幾種缺陷，希望能幫助大家做好提前的預(yù)防。

1、原材料缺陷引起的軸承鍛件裂紋

(1)軸承鍛件外徑貫穿性裂紋，造成裂紋原因是軸承鋼棒料表面有一條較為明顯的軋制裂紋。在鍛造中，含有表面裂紋的軸承鋼棒料經(jīng)壓制后，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展成。

(2)軸承鍛件心部裂紋，鍛件套料后，內(nèi)圈鍛件心部有較為明顯裂紋。裂紋長(zhǎng)度30mm，約占套圈直徑長(zhǎng)度3/4，寬度最大部分5mm，深度10mm左右。產(chǎn)生這種缺陷的主要原因是因?yàn)檩S承鋼棒料心部有裂紋，軸承鋼棒料切割試樣熱酸洗后心部位置有長(zhǎng)度10mm、寬度1mm的深度裂紋，且裂紋是穿透性的。此種帶有裂紋材料投產(chǎn)后，裂紋材料經(jīng)鍛造后進(jìn)一步擴(kuò)展成。

(3)采取措施軸承鋼原材料進(jìn)廠后，按軸承鋼進(jìn)廠檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格檢驗(yàn)，確保合格軸承鋼投入生產(chǎn)使用。

2、鍛件過燒

軸承套圈鍛件經(jīng)車削后表面分布細(xì)小孔洞。金相顯微組織品界已氧化過燒。產(chǎn)生這種缺陷的主要原因是軸承套圈在鍛造時(shí)如果加熱溫度超過工藝規(guī)定上限，在此溫度保溫時(shí)間又很長(zhǎng)，導(dǎo)致材料過熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)過燒，致使金屬晶界被氧化開裂，形成尖角狀洞穴。鍛造過燒套圈表面形態(tài)如橘子皮，上面分布有細(xì)小裂縫和很厚氧化皮。由于鍛造后套圈表面有氧化皮覆蓋，一般不易發(fā)現(xiàn)，在車磨加工后才能充分暴露出過燒特征。

采取措施：軸承鋼加熱裝置配備三路分選機(jī)構(gòu)，能自動(dòng)分選欠熱、過熱產(chǎn)品。通過三路分選裝置分選出欠熱（不足1050℃)工件，可通過重新加熱至允許始鍛溫度后正常進(jìn)行鍛造加工；過熱過燒（溫度超過1150℃)工件，不能通過重新加熱并投入使用，應(yīng)放置在專用有蓋紅色箱內(nèi)進(jìn)行隔離，并在換班前清理報(bào)廢，確保加熱溫度在要求范圍。

3、鍛造折疊

套圈鍛件在擴(kuò)孔輾壓時(shí)產(chǎn)生平面凹心過深，超過車磨留量，則到成品時(shí)平面上留有長(zhǎng)條圓弧狀裂紋，這種缺陷稱為鍛造折疊。產(chǎn)生原因在套圈在鍛造過程中可由兩股(或多股）金屬對(duì)流匯合而形成；也可以是由一股金屬急速大量流動(dòng)將鄰近部分表層金屬帶著流動(dòng)，兩者匯合而形成；也可由變形金屬發(fā)生彎曲、回流而形成；還可以是部分金屬局部變形，被壓入另一部分金屬內(nèi)而形成。折疊與原材料和坯料形狀、模具設(shè)計(jì)、成形工序安排、潤(rùn)滑情況及鍛造實(shí)際操作等有關(guān)。

4、鍛造凹陷

軸承套圈鍛件內(nèi)徑部位出現(xiàn)凹陷，產(chǎn)生原因套圈在鍛造擴(kuò)孔工序中模具表面因磨損產(chǎn)生毛刺，導(dǎo)致與模具接觸套圈內(nèi)徑經(jīng)擴(kuò)孔后產(chǎn)生凹槽。該缺陷經(jīng)車削后有個(gè)別凹陷較深沒有完全消除。

采取措施：嚴(yán)格控制模具壽命，規(guī)定使用壽命及時(shí)更拱怏具，防止模具磨損后造成缺陷。

5、鍛造濕裂

軸承套圈外徑、端面、倒角有明顯的直線狀、斜線、樹枝狀裂紋。裂紋周圍有明顯脫碳且裂紋尾部較禿，稱為鍛造濕裂。其原因是套圈鍛造擴(kuò)孔完成后，個(gè)別套圈還有一定溫度時(shí)碰到了地面上的水，導(dǎo)致濕裂。

采取措施：每天工作前，清理擴(kuò)孔設(shè)備處冷卻水排水溝，確保地面無積水。杜絕擴(kuò)孔后套圈跌落在水中造成套圈濕裂紋。

(運(yùn)轉(zhuǎn)世界大國(guó)龍騰 龍出東方 騰達(dá)天下 龍騰三類調(diào)心滾子軸承 劉興邦CA CC E MB MA)

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主軸箱軸承外圈裂紋現(xiàn)象

某型鐵路貨車軸箱軸承在檢修作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，軸承外網(wǎng)存在可見裂紋。對(duì)損傷軸承外圈進(jìn)行宏觀觀察，確定軸承傷損所在位置，將外圈裂損處的裂紋打開，觀察斷口形貌并判斷裂紋源位置。

1、軸承損壞宏觀形貌

軸承外罔外表面和滾道面損傷宏觀形貌。

軸承外圈整體上存在一處貫通外表面和滾道面的縱向裂紋。(a)中，外表面的裂紋長(zhǎng)度約為35mm．同時(shí)裂紋處還伴有柳葉狀印痕形貌。（b）可以看出，與周同區(qū)域相比，裂紋及印痕所在區(qū)域存在明顯下凹。外圈滾道面的裂紋位于牙口處，裂紋長(zhǎng)度約l5mm。此外。裂紋所對(duì)應(yīng)的滾道還可觀察到約一粒軸承滾子寬度的亮區(qū)，該區(qū)域靠近牙口處存在輕微的剝離損傷．剝離的尺寸約為5mm(周向)×10mm。軸承外圈其余位置未見損傷：

2、軸承斷口分析

1）軸承斷口宏觀形貌

將外圈裂紋打開，觀察其斷口斷口整體形貌，斷口整體形貌可以看出，斷口可以分為A部分和B部分。其中，A部分為開裂紋時(shí)產(chǎn)生的認(rèn)為斷口，該斷口區(qū)域新鮮，存在明顯的放射狀棱線，呈現(xiàn)快速撕裂特征。B部分為裂紋自身斷，該斷口區(qū)域存在自外表面向滾道方向擴(kuò)展的貝紋狀疲勞弧線，疲勞弧線所匯集的“圓心”為裂紋源所在位置。而斷柳狀印痕相疊加處。

2）斷口微觀形貌

采用FEI-Quanta400掃描電鏡觀察外圈裂紋源。

軸承外圈裂紋源所在區(qū)域可觀察到?jīng)_擊坑，有明顯的塑性變形形貌，呈現(xiàn)典型的磕碰傷特征。

采用LeicaDMI500M光學(xué)顯微鏡觀察外圈裂紋源區(qū)。

裂紋源區(qū)金相組織中可觀察到明顯的塑性變形存在，這與掃描電鏡的觀察結(jié)果呼應(yīng)。塑變層的存在應(yīng)與磕碰有關(guān)。同時(shí)塑變層中還觀察到與塑性流變方向一致的微裂紋，當(dāng)外圈材料發(fā)生塑性變形時(shí)，塑性變形累積超過材料的塑變極限后，即會(huì)萌生裂紋。

3、綜合分析

(1)該軸承外圈的化學(xué)成分、硬度、淬硬層深度、非金屬夾雜物及未損傷區(qū)域的金相組織均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。由此表明，軸承外圈的材料和熱處理不存在質(zhì)量問題。

(2）軸承外圈的失效表現(xiàn)為裂損和滾道損傷。將軸承外圈裂損處打開后，斷口中觀察到明顯的疲勞擴(kuò)展弧線，裂損呈現(xiàn)疲勞斷裂性質(zhì)。由損傷和疲勞擴(kuò)展的程度判斷，外圈滾道的亮區(qū)及該區(qū)域中存在的輕微剝離均應(yīng)是在外圈裂損之后發(fā)生，屬于次生缺陷。由裂損斷口中疲勞弧線的走向判斷出裂紋源位置,裂紋源對(duì)應(yīng)外圈外表面印痕所在處，印痕處宏觀、微觀形貌與磕碰傷的特征相符，因此軸承外表面的磕碰是導(dǎo)致軸承失效的主要原因。磕碰使得軸承外表面局部微區(qū)受損,形成缺口。金屬材料缺口試樣的塑性變形主要集中在缺口根部區(qū)域，且塑變區(qū)會(huì)隨著載荷的增大而不斷擴(kuò)大，當(dāng)塑性變形累積超過材料的塑變極限后開始萌生疲勞裂紋。軸承運(yùn)行過程中，疲勞裂紋在運(yùn)用載荷的作用下不斷擴(kuò)展，最終發(fā)展為貫通的宏觀裂紋。

(3）此外，軸承外圈材料的缺口所產(chǎn)生的“缺口效應(yīng)”會(huì)改變?nèi)笨趨^(qū)域的受力狀態(tài)，引發(fā)該區(qū)域應(yīng)力重新分布,缺口效應(yīng)首先是引起材料局部微區(qū)應(yīng)力集中的產(chǎn)生，從而加速材料的變脆傾向。在軸承實(shí)際運(yùn)行過程中,其服役狀態(tài)屬于高周疲勞,大多數(shù)金屬材料在高周疲勞時(shí)對(duì)缺口十分敏感，導(dǎo)致材料在缺口處極易萌生疲勞裂紋。疲勞裂紋在持續(xù)的滾動(dòng)接觸載荷作用下逐步擴(kuò)展，最終發(fā)展為宏觀裂紋。

4、建議

磕碰使得軸承外表面局部微區(qū)受損,在軸承運(yùn)用載荷的作用下，磕碰部位萌生的疲勞裂紋發(fā)展為宏觀裂紋?？呐鰝麑儆谳S承外傷，非軸承自身材質(zhì)和制造質(zhì)量問題。為避免或減少因磕碰傷導(dǎo)致軸承損傷失效的發(fā)生，建議加強(qiáng)軸承及輪軸在組裝、檢修和運(yùn)輸過程中的防護(hù)，具體措施如下。

(1)提高工人工作素質(zhì)，軸承搬運(yùn)過程中應(yīng)輕拿輕放。

(2)加強(qiáng)對(duì)工人的考核力度,如軸承出現(xiàn)類似磕碰問題，要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)處理。

(3）在軸承移動(dòng)過程中注意不要有堆垛現(xiàn)象。

(4）可配置專門的運(yùn)輸小車和防護(hù)工裝等,特別是在檢修現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)過程中應(yīng)避免輪軸相互間的碰撞。

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