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某機組一組背襯滾動軸承裝機僅幾十小時就發(fā)生一個軸承外套斷裂失效現(xiàn)象。一般情況下，軸承的失效形式主要是軸承早期疲勞失效，即滾道、外徑面在應(yīng)力的反復(fù)作用下發(fā)生剝落。對于背襯滾動軸承，尤其是在很短時間就發(fā)生外套斷裂，是有其特殊性的，為此進行斷裂失效分析，本公司將背襯滾動軸承外套早期斷裂失效形式及分析簡稱情況分享如下。
1、檢驗過程及結(jié)果
1.1斷裂套圈外觀檢驗
圖 1 是斷裂套圈宏觀形貌尺寸。圖 1 中箭頭 1 所指是斷裂位置；箭頭 2 所指區(qū)域為靠近斷口附近的外表面?zhèn)麉^(qū)。傷區(qū)沿外徑長約 200 mm，在這 200 mm 范圍內(nèi)有 8 條宏觀可見的裂紋。這些裂紋位于套圈寬度的中心區(qū)域。對套圈表面進行冷蝕處理后，發(fā)現(xiàn)傷區(qū)有淡黃的燒傷色，其它區(qū)域為正常基體顏色，滾道面完好無損。套圈表面呈現(xiàn)出“爬行”的狀態(tài)特征。
1.2斷口宏觀檢驗
對斷口進行宏觀檢驗，發(fā)現(xiàn)整個斷口呈脆性斷裂特征，斷口平齊且具有金屬光澤，垂直于正應(yīng)力方向。斷口上三區(qū)比較明顯，斷裂源位于外表面下約 10 mm 處，呈圓形并以此為核心向四周呈放射狀擴展，擴展區(qū)約占整個斷口的 85%。從斷口的宏觀形貌特征初步判斷：該軸承受到相當大的應(yīng)力。斷裂源到外徑表面之間有一倒 T 字形棱脊，棱脊下有裂紋，該裂紋與套圈表面的裂紋相連通。圖 2 是整個斷口的宏觀形貌。
1.3斷口微觀形貌
將圖 2 中帶有宏觀斷裂源的部位（紅線標示區(qū)），用線切割方法截取制成微觀分析試樣。置于 QUANTA400 型掃描電鏡下進行微觀斷口形貌觀察，發(fā)現(xiàn)斷裂源在一裂紋下，裂紋呈倒 T 字形。斷裂源為解理斷裂，并快速擴展。斷裂源、擴展區(qū)都沒有發(fā)現(xiàn)能引起開裂的冶金缺陷，見圖 3。由裂紋兩側(cè)微觀形貌可見，裂紋附近基體發(fā)生磨損，見圖 4。
1.4金相組織檢驗
將垂直斷口的截面磨制、拋光后在光學顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)套圈表面下存在壓碎性裂紋，裂紋附近沒有發(fā)現(xiàn)能引起開裂的冶金缺陷，與掃描電鏡分析結(jié)果一致。用 4%的硝酸酒精腐蝕，然后再在光學顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)套圈的金相組織為回火馬氏體+回火貝氏體+碳化物，存在一定程度的組織偏析，碳化物分布均勻，如圖 5、 圖 6、圖 7 所示。從截面的金相組織可見斷口與軋向垂直，表明斷裂與組織偏析不存在直接對應(yīng)關(guān)系。
1.5硬度測定
用手持硬度計分別在套圈外徑表面上沿寬度方向測定宏觀硬度。圖 1 中傷區(qū)兩側(cè)區(qū)域硬度為 HRC60.5，寬度中心傷區(qū)硬度為 HRC50。其它部位不論邊部還是中心區(qū)域硬度均在 HRC61～HRC58 之間，符合技術(shù)要求。
2、分析與討論
通過以上檢驗結(jié)果分析：套圈外表面淡黃的燒傷色表明套圈發(fā)生了機械熱損傷，在熱作用下該區(qū)域硬度由 HRC60.5 急劇下降到 HRC50，強度也大大降低，在機械力作用下很容易產(chǎn)生擠壓裂紋。裂紋的存在，顯著地降低了斷裂強度，且會在裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中。在下一次應(yīng)力循環(huán)時，當應(yīng)力達到或超過材料強度極限時，就會發(fā)生套圈早期斷裂。
套圈表面的熱燒傷是由于安裝過盈量太大造成的。資料記載：軋機軸承內(nèi)、外套圈發(fā)生斷裂的原因，絕大部分是因安裝過盈量太大；軸或外殼的圓角過大；燒傷嚴重或沖擊負荷過大等造成。對于背襯軸承承載的軋制力是否均勻主要取決于背襯軸承的尺寸精度。背襯軸承的原始尺寸精度非常高。其外環(huán)和內(nèi)環(huán)的允許徑向偏差一般不小于 5 µm，并且在最大壁厚點處都標有箭頭供裝配時使用，將同壁厚軸承部件裝在同一根軸上。安裝背襯軸承時必須做到將斷面高度尺寸相同的背襯軸承安裝在一根軸上，即所有軸承端面上用于指示壁厚最大點處的箭頭必須在一個方向上，使它們的外圓面保持一致，平行于心軸和軋制產(chǎn)品面。如果背襯軸承未能安裝成一條直線，造成組合軸承外圓表面高低不平，輕者軋制過程中會出現(xiàn)振動，產(chǎn)生偏載，降低軸承使用壽命；重者，導致外套爬行，而不是轉(zhuǎn)動，這樣就發(fā)生嚴重的表面摩擦。有摩擦必然要產(chǎn)生摩擦熱，當熱量不能及時導出，必然造成表面燒傷。
其次，雖然套圈內(nèi)部組織正常，外徑表面硬度符合技術(shù)要求，但存在一定的組織偏析，雖然組織偏析和此次的部件失效無直接對應(yīng)關(guān)系，但確實也會影響材料的使用壽命，服役中在組織偏析薄弱區(qū)易造成開裂，這是一個不可忽視的組織因素。
3、結(jié)論與建議
通過以上檢驗分析討論，可得出如下結(jié)論并提出建議：
(1) 套圈內(nèi)部組織正常，外徑表面硬度符合技術(shù)要求，除存在一定的組織偏析外未發(fā)現(xiàn)能引起開裂的冶金缺陷。
(2) 套圈外表面因摩擦而產(chǎn)生的機械熱損傷導致套圈出現(xiàn)擠壓裂紋。裂紋的存在，顯著地降低了斷裂強度且在裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中。當應(yīng)力達到或超過材料強度極限時，套圈發(fā)生了早期斷裂。
(3) 套圈外表面局部熱損傷是安裝過盈量太大造成的。建議加強裝配質(zhì)量檢查和管理。對于多輥冷軋機背襯軸承不但要關(guān)注選材、制造過程，其后續(xù)的安裝調(diào)整以及使用維護等各方面也應(yīng)嚴格管理。
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