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重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，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、旋轉精度等性能會發生變化，當其性能指標達不到使用要求時就產生了失效或損壞。影響軸承失效的因素很多，如設計、材料、制造、安裝條件、環境條件、維護保養等[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 術語、特征及原因》對軸承在使用中發生失效的特征、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生的重復應力引起的組織變化。疲勞明顯地表現為金屬材料以不同的尺寸和形態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，進而產生小片狀剝落、片狀剝落(麻點)，然后剝離。大多數學者認為，顯微裂紋的出現常常是由軸承鋼中的夾雜物引起，Lundberg 等人假設，最大正交剪切應力導致了裂紋的產生，而這一剪切應力位于表面下某一深度處。甚至還進一步假設，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量合格的產品，由于接觸應力導致組織變化，從而產生微裂紋(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致的一種失效形式。表面損傷是在潤滑狀態惡劣且出現一定程度的滑動時，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；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部擴展。

對于用普通鋼材生產的民用軸承，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量均較好，且大多設計安全系數較高，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、缺口等應力集中部位。疲勞的顯微特征分為疲勞源區和疲勞裂紋擴展區。疲勞源區的主要特征是可以找到由夾雜物或第二相質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)軸承材料一旦發生剝落，剝落區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，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檢查分析，是失效分析最重要的環節。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，取得更多的證據，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成分、硬度、光學金相、電子顯微分析、探針和電子能譜分析等。主要是根據失效特征區的成分差異、微觀組織結構以及力學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金相分析和硬度檢測。

3 案例分析

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

3.1 宏觀檢查

經拆套檢查發現：軸承的雙半外圈均光亮無變色，有明顯的運轉軌跡，其中一側較清晰，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、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)內表面 (b)外表面

3.2 鋼球剝落區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。經過低倍觀察發現：鋼球剝落坑整體呈蝶狀(圖3)。從圖3可以看出，左側白線標記處為發生剝落的裂紋源區，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和剝落物內的異物進行微區成分分析，結果表明，異物的化學成分相同，主要為O，Ca，Si，S，Al和Mg等，推測為氧化物和硫化物的復合夾雜物，能譜曲線如圖7所示。

圖7 鋼球剝落區異物能譜曲線圖

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。原材料常規檢驗按照GB/T 3086—2008《高碳鉻不銹軸承鋼》標準，熱處理質量按照JB/T 1460—2011《滾動軸承 高碳鉻不銹鋼軸承零件 熱處理技術條件》標準評定，檢驗結果見表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，Fe，O，Mn，Si和Ca。由此可以確定鋼球內的夾雜物為氧化物和硫化物的復合型夾雜物。

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。

3.5 結果分析

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。其中外圈的運轉軌跡偏向套圈非基準端面一側，內圈的運轉軌跡偏向基準端面一側，運轉軌跡均勻、無偏斜。

2)微觀觀察的結果表明：剝落面呈現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性，還會造成局部應力集中形成疲勞裂紋源，從而造成材料局部產生疲勞剝落[6]。金相和電鏡觀察均發現鋼球剝落坑的底部存在有較多的夾雜物并與裂紋相連通，說明夾雜物是導致鋼球疲勞剝落的主要原因。

4 結束語

對滾動軸承來說，疲勞剝落作為一種失效模式導致的結果是很容易判斷的，但要尋找到導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。