某航空發動機軸承鋼球失效分析

李 青，佟文偉，張開闊，王 全

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

0 引言

軸承用來支撐轉動軸或其它旋轉零件，引導旋轉運動，并承受傳遞給支架的載荷[1]。隨著航空發動機性能不斷提升，軸承的作用愈發凸顯。鋼球作為軸承的主要零件，對軸承的精度、運轉性能、使用壽命等均有影響。統計表明：在軸承的失效形式中，由于鋼球表面缺陷引起的裂紋、裂縫造成的軸承失效高達65%[2]。

某航空用軸承在使用中有1粒鋼球表面產生了裂紋，且在裂紋附近伴隨有剝落現象。故障鋼球材料為軸承鋼W9Cr4V2Mo，硬度HRC=61～65。

本文對故障鋼球進行了宏觀和微觀檢查，對裂紋斷口和鋼球材質進行分析，確定了故障鋼球表面剝落和裂紋性質，找到了故障原因，并提出了改進建議。

1 檢查與分析結果

1.1 宏觀檢查

故障鋼球宏觀圖像如圖1所示。從圖中可見，鋼球整體表面光亮，未見高溫變色，裂紋長約13mm，裂紋附近存在剝落現象。

1.2 鋼球表面剝落區檢查

圖1 故障鋼球宏觀圖像

圖2 裂紋附近剝落低倍形貌（50×）

裂紋末端區域的背散射形貌如圖4所示。圖中的白色顆粒為碳化物，分布較均勻；裂紋存在多處分叉，且伴有少量基體剝落。裂紋和剝落與碳化物的分布無明顯對應關系。

圖3 剝落區放大形貌

圖4 裂紋末端放大形貌

1.3 裂紋斷口分析

裂紋斷口宏觀圖像如圖5所示。裂紋斷口表面呈灰黑色，最深處約2.43mm，最淺處約1.09mm，呈兩頭深、中間淺的“啞鈴”狀形貌。人為打開區呈灰白色，與裂紋斷口存在明顯差異。裂紋斷口與人為打開區交界處的放大圖像如圖6所示。從圖中可見局部不連續開裂，表明裂紋未發生擴展。

圖5 裂紋斷口處宏觀圖像

在掃描電鏡下觀察，在斷口表面可見清晰的放射棱線，根據放射棱線的匯聚方向判斷裂紋起始于鋼球表面，裂紋起始位置未見明顯的冶金缺陷，如圖7所示。裂紋斷口放大形貌如圖8所示。從圖中可見明顯的沿晶斷裂形貌[7-9]，晶面上存在氧化特征，未見承受機械載荷所致的疲勞斷裂特征。

圖6 裂紋斷口與人為打開區交界處放大圖像

圖7 裂紋起始區形貌

圖8 裂紋斷口表面沿晶形貌

1.4 材質分析

1.4.1 能譜分析

對故障鋼球基體進行能譜分析，其結果見表1。結果表明故障鋼球與軸承鋼W9Cr4V2Mo的成分基本相符。

表1 故障鋼球基體能譜分析結果 wt%

1.4.2 金相組織分析

將故障鋼球沿垂直于裂紋方向解剖，制備后的金相試樣低倍形貌如圖9所示。從圖中可見明顯的白亮色帶狀組織。其放大形貌如圖10所示。從圖中可見，該帶狀組織為共晶碳化物，碳化物周圍存在回火不充分的馬氏體，組織中同時存在粗針狀馬氏體、大塊狀共晶碳化物和小顆粒狀的2次碳化物。

圖9 金相試樣低倍形貌

圖10 帶狀組織放大形貌

斷口處低倍組織形貌如圖11所示。從圖中未見脫碳現象；但放大觀察圖11中的圓圈處，發現裂紋有分叉現象，存在與主裂紋不相連的內部裂紋（如圖12所示），裂紋剛健有力，尾端尖細，表明該裂紋不是淬火前形成[10]。裂紋擴展均以沿晶為主。

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圖11 斷口處低倍組織形貌

圖12 斷口處局部放大形貌

放大觀察鋼球基體組織，發現晶粒存在粗大現象，且晶粒尺寸不均勻，如圖13所示。在掃描電鏡下觀察，發現晶界上有網狀碳化物析出，并與塊狀共晶碳化物相連接，如圖14所示。

圖13 組織晶粒粗大形貌

圖14 晶界網狀碳化物形貌

1.4.3 硬度檢測

對故障鋼球基體進行硬度測量，結果見表2，硬度值符合設計要求。

表2 故障鋼球基體硬度測量結果

2 分析與討論

通過形貌觀察分析可知，故障鋼球表面裂紋附近區域剝落的性質為接觸疲勞剝落；裂紋斷口為沿晶斷口，未見承受機械載荷所致的疲勞斷裂特征。

沿晶斷裂一般是由外界環境介質的作用，或晶界上沉淀脆性沉淀相，或雜質元素在晶界的偏聚，或金屬的過熱、過燒引起的[11]。

分析金相組織結果可知：故障鋼球組織存在粗大的針狀馬氏體，這是由于熱處理時加熱溫度過高、保溫時間過長，導致奧氏體晶粒長大，產生粗大的晶粒，在快速冷卻條件下產生的[12]；網狀或半網狀碳化物沿晶界析出并與塊狀共晶碳化物相連接，這是由于淬火加熱溫度過高，碳化物大量溶解，使奧氏體含碳量明顯增加，冷卻時就在晶界形成網狀或半網狀碳化物[13]。觀察與分析故障鋼球金相組織，得出以下結論：故障鋼球在淬火過程中出現了過熱現象。同時，鋼球組織中存在帶狀碳化物，使貧碳區在熱處理過程中過熱，從而使鋼球在淬火時產生較大變形，易導致淬火裂紋產生[12]。

淬火裂紋是指在淬火過程中或在淬火后的室溫放置過程中產生的裂紋，屬于宏觀裂紋，由宏觀內應力引起[14]。在淬火過程中，當淬火產生的應力大于材料本身的強度并超過塑性變形極限時，會產生裂紋。淬火裂紋既可能沿晶開裂，也可能穿晶開裂，呈放射狀、單獨線條狀或網狀。一般來說，因為馬氏體轉變區的冷卻過快而引起的淬火裂紋多為穿晶分布，且裂紋較平直，周圍沒有分枝的小裂紋；因淬火加熱溫度過高而引起的淬火裂紋多為沿晶分布，裂紋尾端尖細，并呈現過熱特征[10]。

綜上所述，故障鋼球首先發生淬火開裂，在后續工作過程中，鋼球在淬火裂紋缺陷的影響以及周期脈動接觸應力作用下發生了接觸疲勞剝落[15]。

3 總結

（1）鋼球表面裂紋為淬火溫度過高所導致的淬火裂紋；

（2）故障軸承鋼球表面裂紋附近的剝落為滾動接觸疲勞剝落；

（3）故障鋼球組織中存在帶狀碳化物，對淬火裂紋的產生有一定的促進作用；

（4）在鋼球熱處理過程中，應嚴格控制熱處理工藝參數，以保證熱處理溫度和保溫時間的穩定。

[1]陶春虎，鐘培道，王仁智，等.航空發動機轉動部件的失效與預防[M].北京：國防工業出版社，2000：205-206.TAO Chunhu，ZHONG Peidao，WANG Renzhi，et al.Failure analysis and prevention for rotating parts in aeroengine [M].Beijing：National Defense Industry Press，2000：205-206.（in Chinese）

[2]王紅運.鋼球缺陷檢測系統結構設計及關鍵技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2006：1-2.Wang Hongyun.Mechanism design and key technique research about steel ball defect checking system [D].Harbin：Harbin University of Science and Technology，2006：1-2.（in Chinese）

[3]陶春虎，習年生，鐘培道，等.航空裝備失效典型案例分析[M].北京：國防工業出版社，1998：124-129.TAO Chunhu，XI Niansheng，ZHONG Peidao，et al.Analysis of typical failure cases for aeroequip[M].Beijing：National Defense Industry Press，1998：124-129.（in Chinese）

[4]趙傳國.滾動軸承失效分析概論[J].軸承，1996（1）：39-40.ZHAO Chuanguo.Summary of rolling bearing failure analysis[J].Bearing，1996（1）：39-40.（in Chinese）

[5]宋海榮，趙愛國，劉元春，等.某發動機軸承失效分析[J].失效分析與預防，2006，1（2）：49-52.SONG Hairong，ZHAO Aiguo，LIU Yuanchun，et al.Failure analysis of a bearing in aeroengine[J].Failure Analysis and Prevention.2006，1（2）：49-52.（in Chinese）

[6]白明遠，劉高遠，王大為.發動機傳動軸齒輪斷裂失效分析[J].失效分析與預防.2007，2（3）：37-41.BAI Mingyuan，LIU Gaoyuan，WANG Dawei.Fracture failure analysis of transmission shaft gear of an engine.Failure Analysis and Prevention.2007，2（3）：37-41.（in Chinese）

[7]美國金屬學會.金屬手冊（第9卷）：斷口金相與斷口圖譜（8版）[M].北京：機械工業出版社，1983：109-112.American Society for Metal.Metal handbook（vol.9）-fractography and atlas of fractographs（8th edition）[M].Beijing：Machinery Industry Press，1983：109-112.（in Chinese）

[8]佟文偉.某燃氣輪機發動機螺栓斷裂失效分析[J].航空發動機，2013，39（4）：67-71.TONG Wenwei.Fracture failure analysis of bolt in a gas turbine engine[J].Aeroengine，2013，39（4）：67-71.（in Chinese）

[9]譚帥，曾西軍.游星齒輪軸承失效分析[J].失效分析與預防，2007，2（2）：37-39.TAN Shuai，ZENG Xijun.Failure analysis on bearing of planetary gear[J].Failure Analysis and Prevention，2007，2（2）：37-39.（in Chinese）

[10]百度百科.淬火裂紋[EB/DL].[2012-10-13].http：//baike.baidu.com/view/1691361.html.Baidu Encyclopedia.Quench crack[EB/DL].[2012-10-13].http：//baike.baidu.com/view/1691361.html.

[11]張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析[M].北京：國防工業出版社，2004：149-152.ZHANG Dong，ZHONG Peidao，TAO Chunhu，et al.Failure analysis[M].Beijing：National Defense Industry Press，2004：149-152.（in Chinese）

[12]上海市機械制造工藝研究所.金相分析技術[M].上海：上海科學技術文獻出版社，1987：222-225，302-303.Shanghai Research Institute of Machinery Manufacturing Process.Technology of metallographic analysis [M].Shanghai：Shanghai Science and Technology Press，1987：222-225，302-303.（in Chinese）

[13]李維尚.金屬材料金相熱處理檢驗方法與技術標準及缺陷金相圖譜（第1卷）[M].北京：北方工業出版社，2007：488-491 LI Weishang.Metallographic metal material heat treatment standard and inspection method and technology of metallographic atals（vol.1）[M].Beijing：The Northern Industrial Press，2007：488-491.（in Chinese）

[14]林天輝，潘蘭蘭，羅喜清，等.微量物證與齒輪裂紋分析[J].科技創業月刊，2013（9）：186-187.LIN Tianhui，PAN Lanlan，LUO Xiqing，et al.Analysis of trace material evidence and gear crack[J].Pioneering with Science and Technology Monthly,2013（9）：186-187.（in Chinese）

[15]張土軍，騰旭東，劉志優.發動機齒輪和軸承失效分析[J].失效分析與預防，2011，6（2）：109-114.ZHANG Shijun，TENG Xudong，LIU Zhuyou.Failure analysis of gear and bearing in engine[J].Failure Analysis and Prevention，2011，6（2）：109-114.（in Chinese）