自潤滑軸承掉塊失效原因分析

李士樂 楊寶林 張秀麗 劉振華

摘要：采用宏微觀觀察、金相檢查、受力分析等方法，研究了自潤滑軸承內圈的掉塊原因。結果表明，軸承內圈的失效性質為沖擊疲勞斷裂;斷裂源于軸對軸承的沖擊力，沖擊位置固定、材料組織不均勻對斷裂具有促進作用。

關鍵詞：自潤滑軸承;沖擊疲勞;失效

0引言

自潤滑軸承因其具有承載能力大、耐磨性好、使用壽命長等優點，廣泛應用于飛機著陸系統。某型飛機的修理過程中發現其后起落架收放關節處的自潤滑軸承內圈出現掉塊現象，為此通過對故障軸承進行宏微觀觀察、金相檢查、受力分析，研究了掉塊原因，并提出了改進建議，以避免類似失效故障再次發生。

1失效檢查

1.1外觀觀察

故障軸承的整體結構如圖1所示，此軸承應用于飛機起落架與機身的連接關節處，通過軸承內外圈的相對轉動完成收放動作，在飛機降落時承受起落架的沖擊力。軸承由外圈（14Crl7Ni2）、內圈（G95Crl8）及附著在外圈內側的復合材料自潤滑層組成。其中，外圈和自潤滑層未見損傷;內圈上端面出現掉塊，斷口呈月牙狀，斷口處無明顯的塑性變形及腐蝕現象。斷口的左側存在一處由斷口向基體擴展的裂紋（A裂紋），其內側已擴展至接近軸承上端面，外側擴展速度較內側緩慢。此外，在內圈上與A裂紋呈圓心對稱位置處還存在一處裂紋（B裂紋），此裂紋近似直線狀，從軸承上端面起源，向內擴展。

在體式顯微鏡下觀察內圈斷口形貌，結果見圖2。整個斷口上擴展棱線明顯，裂紋擴展路徑為：裂紋在軸承右側上端面處起源，而后沿軸承內側由內向外同時擴展。在沿內側擴展至左側上端面后，裂紋整體由內向外沿徑向擴展，最終在軸承外側形成瞬斷區。整個斷口外側尤其是拐角處存在較多黃棕色附著物，為軸承內外圈相對轉動過程中斷口刮下的自潤滑材料。

1.2微觀檢查

在掃描電鏡下對掉塊斷口進行觀察，結果如圖3所示。斷口表面較為平坦，源區處無明顯的機械損傷、腐蝕及材質缺陷。源區和擴展區均呈現韌窩+解理的混合形貌，瞬斷區表面被自潤滑復合材料覆蓋。

1.3硬度測試

對軸承內圈進行洛氏硬度測試，其硬度值為HRc57，符合技術規范HRc55～62的要求。

1.4金相檢測

在A裂紋附近沿軸向方向取樣，觀察軸承金相組織，結果如圖4所示。軸承的金相組織為回火馬氏體+殘余奧氏體+粒狀碳化物。其中，部分殘余奧氏體尺寸較大、分布不均勻，粒狀碳化物在部分區域呈網狀分布。

2失效原因分析

軸承內圈的掉塊斷口形貌平齊，擴展棱線清晰，源區、擴展區及瞬斷區明顯，無宏觀塑性變形，無腐蝕特征。由以上特征可以判定，軸承掉塊的性質為疲勞斷裂。

斷口裂紋起源于端面內側，并沿軸承內側及徑向擴展;在軸承內側的擴展速度大于徑向擴展速度。A裂紋起源于斷口源區附近，在軸承內側的擴展速度亦快于外側擴展速度。以上現象均表明裂紋的形成源于軸對軸承的沖擊力。由于裂紋的存在，掉塊斷裂之前受到的實際沖擊力相對較小，故瞬斷區面積較小。雖然軸承的硬度符合技術要求，但組織中較大的殘余奧氏體及網狀分布的碳化物顯然會降低材料的沖擊韌性，減小其對沖擊載荷的承受能力。由于飛機降落時起落架的下放角度相同，因而軸承受到沖擊載荷最大時的位置即斷口源區位置也固定。這也是B裂紋的位置與掉塊斷口的源區呈近似圓心對稱的原因。

3結論

基于上述分析，可得出三點結論。

1）軸承掉塊的失效性質為沖擊疲勞斷裂，斷裂由軸對軸承的沖擊應力引起。

2）軸承受到沖擊應力最大的位置不變，材質組織不均勻，促進了疲勞裂紋的萌生。

3）建議對軸承的抗沖擊載荷能力進行評估分析，合理控制其使用壽命;同時，嚴格控制軸承生產工藝，減少有害組織的生成。