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某型鐵路貨車軸箱軸承在檢修作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，軸承外網(wǎng)存在可見裂紋。對(duì)損傷軸承外圈進(jìn)行宏觀觀察，確定軸承傷損所在位置，將外圈裂損處的裂紋打開，觀察斷口形貌并判斷裂紋源位置。
1、軸承損壞宏觀形貌
軸承外罔外表面和滾道面損傷宏觀形貌分別如圖1和圖2所示。
圖1軸承外圈外表面損傷形貌
圖2軸承外圈滾道面損傷形貌
軸承外圈整體上存在一處貫通外表面和滾道面的縱向裂紋。圖1(a)中，外表面的裂紋長(zhǎng)度約為35mm．同時(shí)裂紋處還伴有柳葉狀印痕形貌。由圖1（b）可以看出，與周同區(qū)域相比，裂紋及印痕所在區(qū)域存在明顯下凹。圖2中，外圈滾道面的裂紋位于牙口處，裂紋長(zhǎng)度約l5mm。此外。裂紋所對(duì)應(yīng)的滾道還可觀察到約一粒軸承滾子寬度的亮區(qū)，該區(qū)域靠近牙口處存在輕微的剝離損傷．剝離的尺寸約為5mm(周向)×10mm。軸承外圈其余位置未見損傷：
2、軸承斷口分析
1）軸承斷口宏觀形貌
將外圈裂紋打開，觀察其斷口斷口整體形貌，如圖3所示，
圖3斷口整體形貌
由圖3所示，斷口整體形貌可以看出，斷口可以分為A部分和B部分。其中，A部分為開裂紋時(shí)產(chǎn)生的認(rèn)為斷口，該斷口區(qū)域新鮮，存在明顯的放射狀棱線，呈現(xiàn)快速撕裂特征。B部分為裂紋自身斷，該斷口區(qū)域存在自外表面向滾道方向擴(kuò)展的貝紋狀疲勞弧線，疲勞弧線所匯集的“圓心”為裂紋源所在位置。而斷柳狀印痕相疊加處。
2）斷口微觀形貌
采用FEI-Quanta400掃描電鏡觀察外圈裂紋源，其形貌如下圖4所示。
圖4裂紋源區(qū)掃描電鏡形貌
圖4(a)和(b)中，軸承外圈裂紋源所在區(qū)域可觀察到?jīng)_擊坑，圖4(c)中，有明顯的塑性變形形貌，呈現(xiàn)典型的磕碰傷特征。
采用LeicaDMI500M光學(xué)顯微鏡觀察外圈裂紋源區(qū)，其金相組織如圖5所示。
圖5裂紋源區(qū)金相組織
圖5中，裂紋源區(qū)金相組織中可觀察到明顯的塑性變形存在，這與掃描電鏡的觀察結(jié)果呼應(yīng)。塑變層的存在應(yīng)與磕碰有關(guān)。同時(shí)塑變層中還觀察到與塑性流變方向一致的微裂紋，當(dāng)外圈材料發(fā)生塑性變形時(shí)，塑性變形累積超過材料的塑變極限后，即會(huì)萌生裂紋。
3、綜合分析
(1)該軸承外圈的化學(xué)成分、硬度、淬硬層深度、非金屬夾雜物及未損傷區(qū)域的金相組織均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。由此表明，軸承外圈的材料和熱處理不存在質(zhì)量問題。
(2）軸承外圈的失效表現(xiàn)為裂損和滾道損傷。將軸承外圈裂損處打開后，斷口中觀察到明顯的疲勞擴(kuò)展弧線，裂損呈現(xiàn)疲勞斷裂性質(zhì)。由損傷和疲勞擴(kuò)展的程度判斷，外圈滾道的亮區(qū)及該區(qū)域中存在的輕微剝離均應(yīng)是在外圈裂損之后發(fā)生，屬于次生缺陷。由裂損斷口中疲勞弧線的走向判斷出裂紋源位置裂紋源對(duì)應(yīng)外圈外表面印痕所在處，印痕處宏觀、微觀形貌與磕碰傷的特征相符，因此軸承外表面的磕碰是導(dǎo)致軸承失效的主要原因?？呐鍪沟幂S承外表面局部微區(qū)受損形成缺口。金屬材料缺口試樣的塑性變形主要集中在缺口根部區(qū)域，且塑變區(qū)會(huì)隨著載荷的增大而不斷擴(kuò)大，當(dāng)塑性變形累積超過材料的塑變極限后開始萌生疲勞裂紋。軸承運(yùn)行過程中，疲勞裂紋在運(yùn)用載荷的作用下不斷擴(kuò)展，最終發(fā)展為貫通的宏觀裂紋。
(3）此外，軸承外圈材料的缺口所產(chǎn)生的“缺口效應(yīng)”會(huì)改變?nèi)笨趨^(qū)域的受力狀態(tài)，引發(fā)該區(qū)域應(yīng)力重新分布缺口效應(yīng)首先是引起材料局部微區(qū)應(yīng)力集中的產(chǎn)生，從而加速材料的變脆傾向。在軸承實(shí)際運(yùn)行過程中其服役狀態(tài)屬于高周疲勞大多數(shù)金屬材料在高周疲勞時(shí)對(duì)缺口十分敏感，導(dǎo)致材料在缺口處極易萌生疲勞裂紋。疲勞裂紋在持續(xù)的滾動(dòng)接觸載荷作用下逐步擴(kuò)展，最終發(fā)展為宏觀裂紋。
4、建議
磕碰使得軸承外表面局部微區(qū)受損在軸承運(yùn)用載荷的作用下，磕碰部位萌生的疲勞裂紋發(fā)展為宏觀裂紋?？呐鰝麑儆谳S承外傷，非軸承自身材質(zhì)和制造質(zhì)量問題。為避免或減少因磕碰傷導(dǎo)致軸承損傷失效的發(fā)生，建議加強(qiáng)軸承及輪軸在組裝、檢修和運(yùn)輸過程中的防護(hù)，具體措施如下。
(1)提高工人工作素質(zhì)，軸承搬運(yùn)過程中應(yīng)輕拿輕放。
(2)加強(qiáng)對(duì)工人的考核力度如軸承出現(xiàn)類似磕碰問題，要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)處理。
(3）在軸承移動(dòng)過程中注意不要有堆垛現(xiàn)象。
(4）可配置專門的運(yùn)輸小車和防護(hù)工裝等特別是在檢修現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)過程中應(yīng)避免輪軸相互間的碰撞。
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