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深溝球軸承保持架鉚釘斷裂原因分析
2013-04-18
趙靈蓉 張書麗
（哈爾濱軸承集團公司航空航天軸承分廠）
（哈爾濱軸承集團公司航空航天軸承分廠）
摘 要：根據(jù)鉚釘斷口及軸承內(nèi)外套失效后的形貌，分析軸承失效產(chǎn)生機理。
關(guān)鍵詞：鉚釘；斷口；軸承失效
1、前言
軸承通常由四部分主要部件構(gòu)成，即內(nèi)套、外套、滾動體、保持架。保持架的作用是在軸承運轉(zhuǎn)時保持滾動體在正確位置，軸承保持架一旦損壞通常會引起軸承發(fā)生整體失效。有時會因保持架的破斷將滾動體擠傷，甚至?xí)⑤S承抱死引發(fā)事故?？梢姳３旨茉谳S承中的作用是不可忽視的。而作為連結(jié)保持架的鉚釘，則是保持架可靠運轉(zhuǎn)的保障，如果發(fā)生斷裂將會引起保持架的損壞。
某套深溝球軸承在交付客戶使用300h后，發(fā)生保持架鉚釘斷裂，客戶將失效軸承返廠分析其保持架鉚釘斷裂原因。
2、檢驗及分析
由于軸承失效件為鉚釘，在軸承拆套分析時并沒有采取將鉚釘破壞，取下保持架從而將內(nèi)外套及滾動體分離的方式，而是采取將軸承外套用線切割從兩側(cè)切開，拆套分離的方式。采用這種拆套方式，保持了失效件的原始狀態(tài)，為準(zhǔn)確找到失效原因奠定了基礎(chǔ)。
拆開軸承后，將斷裂鉚釘取下在顯微鏡下觀察，兩個斷裂鉚釘?shù)臄嗫诮?jīng)放大，可清楚地看到頸縮和完整的剪切唇，斷口在顯微鏡下呈纖維狀，灰暗色，如圖1所示。鉚釘材質(zhì)為ML15。ML15含碳量約為0.15%左右，屬于典型的低碳鋼。一般來講，低碳鋼試樣的軸向拉伸斷口是由三部分組成，即剪切唇、放射區(qū)、纖維區(qū)，并且在斷口附近還存在著明顯的頸縮現(xiàn)象。頸縮是塑性較好的金屬材料在拉伸過程中變形集中于局部區(qū)域的現(xiàn)象，它是應(yīng)變硬化與截面減小共同作用的結(jié)果。低碳鋼試樣軸向拉伸應(yīng)力達到屈服點之前，塑性變形是均勻的，在軸向拉伸應(yīng)力超過屈服點后，由于應(yīng)變硬化跟不上塑性變形發(fā)展，使變形集中于局部區(qū)域產(chǎn)生頸縮。纖維區(qū)的形成是由于軸向拉伸過程中，當(dāng)應(yīng)力達到材料的屈服點后，試樣局部區(qū)域產(chǎn)生頸縮，同時試樣的應(yīng)力狀態(tài)也由單向變?yōu)槿?，且中心軸向應(yīng)力Z大。在中心三向拉應(yīng)力作用下，塑性變形難于進行，致使試樣中心部分的夾雜物或第二相質(zhì)點本身碎裂，或使夾雜物質(zhì)點與基體界面脫離而形成微孔。微孔不斷長大和聚合就形成了顯微裂紋。顯微裂紋不斷擴展和相互連接形成鋸齒狀的纖維區(qū)，而灰暗色則是纖維斷口對光反射能力弱所致。在試樣拉伸斷裂的Z后階段，試樣邊緣剪切斷裂形成杯狀或錐狀的剪切唇。剪切唇表面光滑，與拉伸軸約呈45°。通過觀察可以看出，斷裂鉚釘?shù)臄嗫谛螒B(tài)形貌符合了低碳鋼試樣拉伸斷口的大部分特點，存在纖維區(qū)、剪切唇，存在明顯的頸縮現(xiàn)象。在斷口上未觀察到明顯放射區(qū)是因為軸向力瞬時增大，塑性變形未來得及完全進行即發(fā)生了斷裂所致。該軸承屬角接觸球軸承，在軸向單方向雖然要承受一定的載荷，但受力時保持架與鉚釘不應(yīng)受較大載荷，以至于引起保持架鉚釘拉伸斷裂。為了弄清引起保持架鉚釘拉伸斷裂的原因，又對內(nèi)外套及保持架進行了觀察分析。
關(guān)鍵詞：鉚釘；斷口；軸承失效
1、前言
軸承通常由四部分主要部件構(gòu)成，即內(nèi)套、外套、滾動體、保持架。保持架的作用是在軸承運轉(zhuǎn)時保持滾動體在正確位置，軸承保持架一旦損壞通常會引起軸承發(fā)生整體失效。有時會因保持架的破斷將滾動體擠傷，甚至?xí)⑤S承抱死引發(fā)事故?？梢姳３旨茉谳S承中的作用是不可忽視的。而作為連結(jié)保持架的鉚釘，則是保持架可靠運轉(zhuǎn)的保障，如果發(fā)生斷裂將會引起保持架的損壞。
某套深溝球軸承在交付客戶使用300h后，發(fā)生保持架鉚釘斷裂，客戶將失效軸承返廠分析其保持架鉚釘斷裂原因。
2、檢驗及分析
由于軸承失效件為鉚釘，在軸承拆套分析時并沒有采取將鉚釘破壞，取下保持架從而將內(nèi)外套及滾動體分離的方式，而是采取將軸承外套用線切割從兩側(cè)切開，拆套分離的方式。采用這種拆套方式，保持了失效件的原始狀態(tài)，為準(zhǔn)確找到失效原因奠定了基礎(chǔ)。
拆開軸承后，將斷裂鉚釘取下在顯微鏡下觀察，兩個斷裂鉚釘?shù)臄嗫诮?jīng)放大，可清楚地看到頸縮和完整的剪切唇，斷口在顯微鏡下呈纖維狀，灰暗色，如圖1所示。鉚釘材質(zhì)為ML15。ML15含碳量約為0.15%左右，屬于典型的低碳鋼。一般來講，低碳鋼試樣的軸向拉伸斷口是由三部分組成，即剪切唇、放射區(qū)、纖維區(qū)，并且在斷口附近還存在著明顯的頸縮現(xiàn)象。頸縮是塑性較好的金屬材料在拉伸過程中變形集中于局部區(qū)域的現(xiàn)象，它是應(yīng)變硬化與截面減小共同作用的結(jié)果。低碳鋼試樣軸向拉伸應(yīng)力達到屈服點之前，塑性變形是均勻的，在軸向拉伸應(yīng)力超過屈服點后，由于應(yīng)變硬化跟不上塑性變形發(fā)展，使變形集中于局部區(qū)域產(chǎn)生頸縮。纖維區(qū)的形成是由于軸向拉伸過程中，當(dāng)應(yīng)力達到材料的屈服點后，試樣局部區(qū)域產(chǎn)生頸縮，同時試樣的應(yīng)力狀態(tài)也由單向變?yōu)槿?，且中心軸向應(yīng)力Z大。在中心三向拉應(yīng)力作用下，塑性變形難于進行，致使試樣中心部分的夾雜物或第二相質(zhì)點本身碎裂，或使夾雜物質(zhì)點與基體界面脫離而形成微孔。微孔不斷長大和聚合就形成了顯微裂紋。顯微裂紋不斷擴展和相互連接形成鋸齒狀的纖維區(qū)，而灰暗色則是纖維斷口對光反射能力弱所致。在試樣拉伸斷裂的Z后階段，試樣邊緣剪切斷裂形成杯狀或錐狀的剪切唇。剪切唇表面光滑，與拉伸軸約呈45°。通過觀察可以看出，斷裂鉚釘?shù)臄嗫谛螒B(tài)形貌符合了低碳鋼試樣拉伸斷口的大部分特點，存在纖維區(qū)、剪切唇，存在明顯的頸縮現(xiàn)象。在斷口上未觀察到明顯放射區(qū)是因為軸向力瞬時增大，塑性變形未來得及完全進行即發(fā)生了斷裂所致。該軸承屬角接觸球軸承，在軸向單方向雖然要承受一定的載荷，但受力時保持架與鉚釘不應(yīng)受較大載荷，以至于引起保持架鉚釘拉伸斷裂。為了弄清引起保持架鉚釘拉伸斷裂的原因，又對內(nèi)外套及保持架進行了觀察分析。
確定鉚釘是由于拉伸而引起的塑性斷裂后就可以斷定保持架一定受到了一個軸向的力的作用。下面對這個軸向力是怎樣產(chǎn)生又是怎樣施加加以敘述。
通過觀察軸承的保持架與內(nèi)外套，發(fā)現(xiàn)兩半保持架結(jié)合部已產(chǎn)生較大縫隙，外徑、內(nèi)徑和套圈溝道邊緣凸起對應(yīng)處被切刮出溝槽，如圖2所示。外套溝道兩側(cè)邊明顯有均勻分布的壓痕，形成26個波，兩側(cè)峰谷相對，溝邊凸起，如圖3所示。內(nèi)套溝道出現(xiàn)不同程度剝落，溝形變大變深，溝邊凸起，如圖4所示。鋼球表面出現(xiàn)不同程度的剝落。
通過觀察軸承的保持架與內(nèi)外套，發(fā)現(xiàn)兩半保持架結(jié)合部已產(chǎn)生較大縫隙，外徑、內(nèi)徑和套圈溝道邊緣凸起對應(yīng)處被切刮出溝槽，如圖2所示。外套溝道兩側(cè)邊明顯有均勻分布的壓痕，形成26個波，兩側(cè)峰谷相對，溝邊凸起，如圖3所示。內(nèi)套溝道出現(xiàn)不同程度剝落，溝形變大變深，溝邊凸起，如圖4所示。鋼球表面出現(xiàn)不同程度的剝落。
經(jīng)化學(xué)成分分析，軸承內(nèi)套、外套和鋼球材質(zhì)符合GB/T 18254-2002國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的GCr15鋼成分。各零件的組織硬度也均符合軸承鋼熱處理質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)JB1255要求。由此可見軸承的失效可能與客戶使用有關(guān)。從兩半保持架被撐開和溝道邊緣凸起呈波浪形的特征，可以推斷故障是由于工作中的軸承受到軸向振動沖擊力，使本應(yīng)沿溝道呈圓周公轉(zhuǎn)的鋼球產(chǎn)生軸向沖擊力，作用于溝道兩側(cè)，致使溝道兩側(cè)邊緣塑性變形，溝道邊緣凸起形成波浪狀（均勻分布的26個波，兩側(cè)峰谷相對，說明是有規(guī)律的振動）；此軸向沖擊力同時作用于保持架兜孔兩側(cè)，致使兩半保持架分離，鉚釘受軸向拉伸力而被拉斷。鉚釘?shù)臄嗫诳汕宄乜吹筋i縮和完整的剪切唇，拉伸斷裂特征比較明顯。
由于不正常的軸向振動沖擊力超過軸承負(fù)荷極限，促使軸承過早損壞。
3、結(jié)論
?。?）軸承內(nèi)、外套圈和鋼球材質(zhì)符合GB/T 18254－2002國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定GCr15的鋼成分，熱處理質(zhì)量符合JB1255規(guī)定。
（2）軸承工作中出現(xiàn)的不正常軸向振動沖擊力是造成軸承失效及鉚釘斷裂的根本原因。
由于不正常的軸向振動沖擊力超過軸承負(fù)荷極限，促使軸承過早損壞。
3、結(jié)論
?。?）軸承內(nèi)、外套圈和鋼球材質(zhì)符合GB/T 18254－2002國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定GCr15的鋼成分，熱處理質(zhì)量符合JB1255規(guī)定。
（2）軸承工作中出現(xiàn)的不正常軸向振動沖擊力是造成軸承失效及鉚釘斷裂的根本原因。
來源：《哈爾濱軸承》2007年01期
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