軸承壓塊斷裂失效分析

王靜，吳繼輝，齊延生，慕松

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

軸承壓塊斷裂失效分析

王靜，吳繼輝，齊延生，慕松

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

∶通過宏觀檢查、化學成分分析、硬度測試、金相組織分析、掃描電鏡分析，確定了軸承壓塊斷裂失效的原因。結果表明，軸承壓塊存在先期淬火裂紋，零部件表面硬度偏高是導致了軸承壓塊斷裂的主要原因。

∶軸承壓塊；斷裂；失效分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.068

CLC NO.: U472.43Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-202-02

軸承壓塊主要裝配在牽引車及自卸車的后橋平衡軸上，承受整車主要載荷和動力，如果在車輛行駛過程中發生斷裂，將嚴重影響車輛及人身安全。委托單位反饋在裝配時發現兩塊軸承壓塊斷裂，其材料規格為40Cr，表面氧化處理，熱處理硬度HRC40-50。為分析其斷裂失效原因，對失效零部件進行了斷口宏觀分析、顯微組織檢測、化學成分分析、硬度檢驗、掃描電鏡檢查與診斷。

1、理化檢驗

1.1斷口宏觀檢查

斷裂軸承壓塊的宏觀形貌見圖1和圖2。

斷裂軸承壓塊的實物圖件圖1，經對軸承壓塊實物的仔細觀察，發現斷裂軸承壓塊表面經過了氧化處理，裝配時產生的裂紋貫穿相鄰的安裝孔，肉眼可見四條裂紋，其中一條裂紋完全斷裂，零件平面一側螺栓安裝孔周邊可見明顯的環狀螺栓安裝痕跡。斷口局部宏觀形貌見圖2，圖中可見，斷面上靠近零件凹面一側螺栓安裝孔壁處存在一深色的先期斷裂面，先期斷裂面近似呈三角形，徑向深度及軸向深度基本在3-4mm之間，其余斷口新鮮、平齊，其上可見縱向條痕。

圖1　斷裂零件外觀形貌

圖2　開裂處斷口宏觀形貌

1.2化學成分

為確定軸承壓塊的化學成分是否合格，從軸承壓塊近斷口處截取試塊，經三棱落地砂輪機打磨，運用ARL3460型金屬分析儀對試塊進行化學成分分析，結果符合GB/T3077-致1999 標準要求，各元素檢測結果（質量分數，%）見下表。

表1　零部件的化學成分（質量分數，%）

1.3硬度檢驗

為確定軸承壓塊的硬度是否合格，從軸承壓塊上截取試塊，經三棱落地砂輪機打磨，不同細度的砂紙打磨，運用TH320洛氏硬度計進行硬度測試，結果為：49.0HRC，49.2 HRC，48.8 HRC，平均值為49.0HRC，符合技術要求HRC40-50，但接近上限。

1.4金相組織分析

在零件斷面深色區域（先期斷裂面）的橫截面上截取金相試樣，試樣經拋光腐蝕后在Olympus GX51F型光學顯微鏡下進行觀察，其先期斷裂面處金相微觀形貌見圖3，圖中可見先期斷裂面（裂紋）有明顯的晶界顯微裂紋，判斷此先期裂紋為淬火裂紋。該區域顯微組織為中等粗細的、均勻的回火屈氏體，見圖4。在零件斷裂面中部進行檢查，其顯微組織為回火馬氏體+少量鐵素體+微量貝氏體，且鐵素體呈帶狀聚集分布，零件表面存在輕微的脫碳現象。見圖5所示[1]。

圖3　先期斷裂面（裂紋）表面200X

圖4　先期斷裂面附近微觀　組織500X

圖5　基體組織200X

1.5斷口微觀形貌分析

將軸承壓塊斷口超聲清洗后置于SEM6610電子掃描電鏡下觀察，從圖6可以看出斷口表面存在很多鑄造缺陷，鑄造缺陷尤其是在斷裂起源區（螺栓安裝孔處）集中如圖7所示，從斷口微觀形貌可以看出：斷裂以沿晶斷裂和準解理脆性斷裂形態為主，有出現少量穿晶裂紋。這表明軸承壓塊基體韌塑性較差，這一方面使材料抗沖擊能力差。另一方面也使材料對表面應力集中結構更加敏感。因此在裝配應力下裂紋以脆性方式開裂[2]。

圖6　斷口整體微觀形貌

圖7　斷面缺陷形貌

圖8　斷裂源擴展區域形貌

圖9　斷裂源擴展區放大形貌

圖10　斷裂源區放大形貌

2、斷裂原因分析

通過以上理化分析結果可知，該軸承壓塊的化學成分、金相組織和硬度均符合國家標準技術要求，但是硬度值偏高，接近上限。

通過對斷口的宏觀檢查和掃描電鏡微觀診斷分析可判斷，40Cr軸承壓塊斷裂為熱處理工藝不當，即軸承壓塊在表面淬火后沒有進行低溫回火或自回火不夠充分，導致材料形成淬火裂紋，當在軸承壓塊的螺栓孔安裝螺栓時受到較大的應力和沖擊作用下，淬火裂紋在沖擊應力條件下發生擴展；同時表面硬度較高，塑性變形困難，不能緩和因沖擊產生的應力，應力無法釋放，最終在裂紋處開始擴展，直至軸承壓塊發生斷裂[3～4]。

3、結論

1）軸承壓塊是裝配應力作用下, 在螺栓安裝孔淬火裂紋處起裂并擴展形成的快速脆性斷裂。

2）材料熱處理強度偏低偏脆, 存在先期淬火裂紋是導致軸承壓塊發生快速脆性斷裂的原因[5]。

3）建議更改熱處理工藝, 提高材料強度和韌性,同時在裝配方面嚴格按照工藝文件操作。

[1] 劉艷琳,梅華生,彭颋.減震器托架斷裂失效分析［J］.精密成形工程,2014,6(4): 69-73.

[2] 胡春燕,劉新靈,陳星.高強度鋼螺栓斷裂失效分析[J],金屬熱處理,2012,37 (9):125-127.

[3] 渠清團.40Cr 鋼內齒輪齒圈斷裂失效分析[J],機械與自動化,2013, 08:115-116.

[4] 董紅磊,陳玉忠,肖凌云等.汽車變速箱吊耳斷裂失效分析[J],金屬熱處理,2015,40(增刊):94-97.

[5] 鐘培道,斷裂失效分析[J],理化檢驗-物理分冊,2015,41(7):375-378.

Analysis of Bearing Block Fractures

Wang Jing, Wu Jihui, Qi Yansheng, Mu Song
(Shaanxi Heavy AutomobileCo., Ltd., Shaanxi Xi'an710200)

A few kinds of test methods were used to analyze the fracture bearing block. including fracture Macro View analysis, chemical test, HRC test , metallography test and micro - scanning analysis .The result shows that the main reasons of bearing block fractures are quench cracks and high surface hardness.

Bearing Block; Failure; Invalid Analysis

∶U472.43

∶A

∶1671-7988 (2016)09-202-02

王靜（1984-），女，就職于陜西重型汽車有限公司，主要從事理化檢驗分析工作。