摘要：通過(guò)軸承的斷裂失效實(shí)例，分析淬火、鍛造水裂、車削和磨削裂紋的形貌及斷口特征，探討了裂紋的形成原因和相應(yīng)的預(yù)防措施，總結(jié)出不同類型的裂紋形貌和斷口特征。

1前言

某軸承廠在裝配88107EYYN軸承期間，接連發(fā)現(xiàn)軸承外圈在裝配力作用下斷裂，對(duì)這批軸承套圈調(diào)查結(jié)果如下。

1.軸承結(jié)構(gòu)

該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（見(jiàn)圖1）。

2.零件的選材與加工工藝

1）原材料：采用GCr15熱軋圓棒料。

2）工藝流程：下料―鍛造―退火―車削―淬火―清洗―回火―磨削―裝配。

3.工藝現(xiàn)狀調(diào)查

1）鍛造：由于冷卻鍛模的水管泄漏，壓力機(jī)附近地面有積水。

2）車削：操作人員采取大進(jìn)給量切削，使部分套圈表面出現(xiàn)很深的刀痕。

3）淬火：振底式氮?dú)獗Ｗo(hù)淬火爐，由于長(zhǎng)期未清除爐膛，滴入的丙酮與套圈攜帶的臟物，在爐底板上形成較厚的粘狀物，使部分套圈在淬火加熱時(shí)被粘在爐內(nèi)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

4）磨削：操作人員采取高速磨削，使用已變鈍的磨輪，并保持大進(jìn)給量，導(dǎo)致磨削時(shí)冷卻不充分，產(chǎn)生大量的磨削熱。

5）裝配：裝配時(shí)須加力使套圈變形，才能將最后一顆鋼球放入內(nèi)、外套圈的間隙中。如圖2所示，在外力F的作用下，套圈外表面A處和內(nèi)表面B處受到拉應(yīng)力，而在外表面D處和內(nèi)表面C處則受到壓應(yīng)力。

２裂紋形貌及斷口特征

從該批套圈中抽取50只，先進(jìn)行冷酸洗，發(fā)現(xiàn)部分套圈有裂紋，但未發(fā)現(xiàn)表面脫碳，然后對(duì)這部分套圈進(jìn)行去應(yīng)力回火和熱酸洗。

去應(yīng)力回火工藝和熱酸洗方法為：（1）去應(yīng)力回火工藝：加熱到400℃，保溫1h，取出空冷至室溫。（2）熱酸洗方法：套圈在50%HCl溶液中加熱到60℃，煮20min，取出用冷水刷洗。

熱酸洗后發(fā)現(xiàn)12只套圈表面有裂紋，其中淬火裂紋5只，鍛造水裂2只，車削裂紋2只，磨削裂紋3只。在這些次品套圈中，有的套圈同時(shí)存在2種不同類型的裂紋。再取不同類型的裂紋套圈各1只，垂直于裂紋截取試樣、觀察裂紋周邊和末端形貌。分析如下。

1.裂紋形貌分析

1）淬火裂紋（見(jiàn)圖3）：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）。從圖4裂紋的周邊和末端形貌上可看到裂紋深0.2mm，平直無(wú)分枝，周邊無(wú)氧化脫碳區(qū)，裂尖銳利。原因是裂紋在淬火快速冷卻過(guò)程中形成，隨后套圈不再經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱，因此裂紋周圍無(wú)氧化脫碳區(qū)。

2）鍛造水裂裂紋（見(jiàn)圖5箭頭A處）：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(kāi)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)膱D6的裂紋周邊和末端形貌上可看到，裂紋深0.5mm，平直無(wú)分枝，周邊有氧化脫碳區(qū)，裂尖圓鈍。原因是套圈在鍛造后再需退火，在退火過(guò)程中裂紋經(jīng)過(guò)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（見(jiàn)圖7）：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)膱D8的裂紋周邊和末端形貌來(lái)看，裂紋深0.1mm，無(wú)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(guò)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(wú)氧化脫碳區(qū)。

4）磨削裂紋（見(jiàn)圖5）：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，因此圖5中的表面網(wǎng)狀裂紋是磨削裂紋。再?gòu)膱D9的裂紋周邊和末端形貌來(lái)看，裂紋

深0.08mm，無(wú)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(wú)氧化脫碳區(qū)。

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(guò)熱斷口（見(jiàn)圖10）。

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（見(jiàn)圖11）。

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（見(jiàn)圖12箭頭處）。

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(wú)黑色斷口區(qū)（見(jiàn)圖13）。

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(guò)高，加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使奧氏體晶粒變粗，碳化物溶解過(guò)多，在淬火過(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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結(jié)論

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(wú)氧化脫碳區(qū)，裂尖銳利，過(guò)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

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標(biāo)簽：軸承

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文章名稱：《軸承的斷裂失效實(shí)例 不同類型的裂紋形貌和斷口特征》

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