网站首页 - 技术资料 - 失效分析

725所:渗碳钢制圆锥滚子轴承外圈开裂失效分析

[ 发布日期:2018-04-23 点击:1192 来源:中国船舶重工集团公司第725研究所检测服务平台 【打印此文】 【关闭窗口】]
    G20CrNi2Mo渗碳钢制圆锥滚子轴承外圈,在使用过程中出现开裂现象。由于该轴承产量高,使用部位关键,为避免再出现同样的开裂现象,必须找出其产生失效的原因。本文通过宏观分析、微观分析、扫描电镜的分析,就开裂的原因进行了讨论。
   1.外圈开裂宏观特征
   失效的渗碳钢制圆锥滚子轴承外圈外表面除有一条贯通的、且与轴线平行的开裂裂纹外,还有两条源自大裂缝的散射细裂纹。除两端及中部非工作区外,套圈上有两道大的磨损区,呈不同的亮白色光泽带。从距端面约20mm的磨损区边缘开始分布有多条“刻度”状细小直裂纹,方向与大裂纹平行,最长的40mm左右,多数为5~10mm,如图1、图2所示。这些特征说明,贯通的大裂纹是由这些细小裂纹之一发展而成。
   2.断口扫描电镜检查
   外圈原始大裂纹的断口宏观特征如图3所示,呈现脆断特征,在外圈断口外表面“刻度”裂纹区对应的断口处能见到疲劳源特征,如图4所示。据此可判断套圈的开裂为疲劳脆断。
   在扫描电镜下检查发现,疲劳源区位于套圈外表面的白亮带中,如图5、图6所示,从不同放大倍率的断口组织可以看到该白亮区位于渗碳淬火层的表面,即靠近套圈的外表面处。疲劳区域以下的渗碳淬火层开裂呈解理开裂特征,如图7所示,说明疲劳开裂不久就发生了一次性的快速断裂。套圈心部的断口组织以韧窝为主,是由于心部为较软的板条马氏体组织所致,如图8所示。
   外圈外表面上的白亮磨损区大量的细小开裂在扫描电镜下的细节如图9所示,可以看出这些细小开裂都平行于贯通的主开裂,与外圈表面上的磨损方向完全垂直。在与小开裂平行方向制成的金相试样的磨损区进行显微硬度对比测试发现,磨损区以下约0.1mm深度的截面上的硬度值比渗碳淬火层的硬度高(见图10),这说明套圈外表面上的磨损区产生了硬化现象,磨损硬化层硬度为923HV、941HV,渗碳淬火层硬度为730HV、719HV。
   3.金相组织检查
   外表面磨损区有一层约0.05mm厚的耐浸蚀白亮区, 白亮区之下为正常的渗碳淬火层,即细小针状马氏体组织(见图11),套圈心部为板条状淬火马氏体组织(见图12)。
 
   4.化学成分分析
   能谱分析如图13所示,成分分析见附表,能谱和化学分析都表明套圈材料的化学成分符合G20CrNi2Mo标准要求。
   5.结语
   (1)开裂套圈材料的化学成分、渗碳热处理工艺及金相组织正常。
   (2)套圈的开裂属疲劳引起的脆性断裂,疲劳源位于套圈外表面磨擦损伤硬化区。
   (3)轴承在磨削加工时表面有磨削烧伤或二次硬化现象,轴承在运行中外圈有偏载滑动磨损现象,导致轴承外圈在磨擦损伤区中产生了硬化和开裂。同时运行中套圈受到较大的压力,在套圈四周方向上产生较大交变拉应力,促成了磨损区表面的细小开裂并引发疲劳源萌生,最终造成套圈贯穿性开裂。