胡 宸1,2,王树宏1,2,陈永笑1,2,边蕴宇1,2,张俊艺1,2,王 剑3

(1.上海复合材料科技有限公司,上海 201112; 2.上海航天树脂基复合材料工程技术研究中心,上海 201112; 3.中国北京航空材料研究院,北京 100095)

摘 要:某型号航空滚动轴承的外圈滚道表面发生了剥落。采用宏观观察、金相检验、水浸超声 检测、硬度测试及扫描电镜分析等方法,分析了该轴承外圈剥落的原因。结果表明:轴承外圈滚道 发生接触疲劳剥落,产生原因是材料内部存在微小缺陷,并在循环往复应力的作用下形成了高硬度 “蝶形”组织,加速了轴承外圈疲劳剥落。

关键词:航空滚动轴承;剥落;“蝶形”组织;接触疲劳;缺陷 中图分类号:TB31;V232.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)11-0072-04

滚动轴承是航空发动机的重要零部件,轴承的 质量、寿命对航空发动机的性能和可靠性起着关键 性作用[1]。轴承在高转速以及严苛的工作环境下, 极易发生失效和损坏,其中大部分为接触疲劳,通常 表现为疲劳扩展特征的海滩状纹路[2]。 目前,国内外学者对轴承损伤进行了大量研究: 呙如兵等[3]采用理论分析结合试验研究的方法,研 究了不同运行里程下,轴箱轴承外圈材料的力学性 能及微观形貌,分析了轴承外圈材料裂纹产生的原 因,研究结果对未来高速列车轴箱轴承材料的国产 化具有重要的参考价值;LI等[4]将轴承多场耦合服 役条件与轴承钢内部材料的微观不均匀性相结合, 建立了航空轴承的微观应力敏感性分析方法,发现 夹杂物 的 尺 寸 和 位 置 对 应 力 集 中 程 度 均 有 显 著 影响。 但目前对轴承外圈的失效原因分析较少。轴承 外圈中非金属夹杂物和碳化物的数量、大小及分布 都会对轴承钢的使用寿命产生很大影响。轴承的失 效通常起源在较大的夹杂或碳化物周围,主要是由 夹杂或 者 碳 化 物 附 近 产 生 的 微 裂 纹 逐 渐 扩 展 所 致[5]。这就要求严格控制轴承钢的冶炼质量,把控 非金属夹杂物和碳化物的数量、大小和分布。某型 号航空轴承的外圈滚道表面发生剥落,笔者采用宏 观观察、金相检验、水浸超声检测、硬度测试及扫描 电镜(SEM)分析等方法,分析了该轴承外圈剥落的原因,以避免该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

对剥落轴承进行宏观观察,结果如图 1 所示。 由图1可知:轴承外圈滚道5点钟位置存在一处长 条形 的 浅 表 层 剥 落,其 大 小 为 50 mm(周 向)× 15mm(轴向),具有一定深度,整体表面未见明显的 高温氧化变色现象与异质颗粒物划伤痕迹,剥落区 表面破碎,呈现鱼鳞状的碾压、挤压特征。

1.2 SEM 分析

在轴承外圈剥落区截取试样,经无水乙醇超声 清洗、干燥后,用 FEINANOSEM450型 SEM 进 行分析,结果如图2所示。由图2可知:外圈剥落区 呈鳞片状磨损特征,可见疲劳弧线和挤压特征,整体 剥落深度较浅。

对外圈滚道剥落区周围进行 SEM 分析,结果 如图3所 示。由 图 3 可 知:剥 落 区 附 近 边 缘 存 在 多处微裂 纹 或 裂 口,裂 纹 长 短、方 向 不 一,沿 着 剥 落区延伸;剥 落 区 边 缘 处 存 在 零 散 分 布 的 块 状 物 质和小坑,小坑周围伴随有许多微裂纹,裂纹之间 相互连接,呈现类似于龟裂形态;小坑周围有异质 颗粒物嵌入材料基体,颗粒物棱角分明,直径约为 5μm,颗粒物两侧微裂纹聚集、串通。颗粒物会导 致接触面发生磨粒磨损,增加滚道表面的粗糙度, 在棱角处产生应力集中,并形成裂纹,加速轴承的 损伤。

1.3 金相检验

截取轴承外圈剥落区截面,制备金相试样,经镶 嵌、打磨、抛光后,采用光学显微镜观察剥落区的显 微组织形貌,结果如图4所示。由图4可知:试样心 部组织为正常的针状马氏体+碳化物,碳化物尺寸 及分布较为均匀;剥落区附近可见白色的“蝶形”组 织,大多分布在剥落区次表面;部分组织内部有细小 的微裂纹,尾部分叉。 选取同一批次的正常轴承进行金相检验,结果 如图5所示,可见轴承的心部组织为正常的针状马 氏体+碳化物,且碳化物尺寸及分布较为均匀,未见 “蝶形”组织以及裂纹等缺陷。 依据 GB/T10561—2005 《钢中非金属夹杂物 含量的测定 标准图显微检验法》,对轴承外圈剥落 区进行非金属夹杂物测试,结果如图6所示。由图 6可知:试样的夹杂物等级为0.5级,未见异常的夹 杂物堆积形态,满足 GB/T10561—2005的要求。

1.4 水浸超声检测

对轴承外圈进行水浸超声检测,结果如表1所 示,可知当采用?0.4 mm,12dB 的探头检测时,轴 承外圈在3点钟位置(拔槽)与滚道交界边缘处检出 一处缺陷。 对检测出的缺陷区磨制后进行 SEM 分析,可 见少量疑似微小孔洞形貌,将试样再次磨去50μm 厚度后,依然可见疑似微小孔洞形貌(见图7)。

1.5 硬度测试

采用0.5kg载荷对轴承外圈“蝶形”组织和基 体进行显微硬度测试,结果如表2所示。由表2可 知:“蝶形”组织区域的平均硬度为888HV,比基体 组织硬度高约150HV。

2 综合分析

由宏观观察和 SEM 分析结果可知,轴承外圈 剥落区的宏观形貌呈连续的“鱼鳞状”,微观形貌为 典型的碾压磨损形貌,局部可见疲劳条带特征,是裂 纹扩展时留下的典型微观特征,且剥落区边缘可见 较多的微裂纹,并沿基体延伸,可判断在轴承外圈表 面发生了接触疲劳剥落。 轴承内部存在缺陷(孔洞、裂纹或夹杂等),且外 部承受较大的接触应力,导致轴承外圈次表面产生 了“蝶形”组织。如果轴承滚道次表面存在孔洞、微 裂纹或夹杂等缺陷,当滚动体经过缺陷上方时,缺陷 处就会受到挤压作用而发生弹性变形,滚动体离开 该位置后,缺陷处弹性变形恢复,如此重复上述过 程。轴承转速极高,缺陷处反复张合,产生了很高的 形变热,热量向缺陷两侧扩散,形成类似“蝶形”的热 影响区。“蝶形”热影响区温度会超过材料的相变点 (奥氏体化温度)。“蝶形”热影响区离表面很近,能 被润滑油快速冷却,即发生淬火,形成马氏体组织, 这种组织一般很难被侵蚀。由硬度测试结果可知, “蝶形”组织硬度高于基体,容易在交界处以及组织 内部萌生裂纹。在交变载荷的持续作用下,裂纹与 “蝶形”组织之间相互促进发展,当裂纹向表面扩展 时,形成了疲劳剥落。由金相检验和水浸超声检测 结果可知,轴承材料内部存在微小孔洞,外圈滚道并 未见异常的夹杂物,因此判断轴承材料内部存在缺 陷,导致了“蝶形”组织的产生,轴承外圈发生疲劳剥 落与“蝶形”组织有关。 根据赫兹理论,在纯滚动接触载荷的作用下,最 大交变剪切应力位于滚道次表面,当接触应力较大 时,会从次表面处萌生疲劳裂纹,并产生剥落。如果 接触应力足够大,尽管轴承材料中无夹杂或其他不 连续性缺陷,也会产生白色的“蝶形”组织。正常轴 承外圈未见明显的“蝶形”组织,说明该类轴承本身 的试验应力并不足以产生“蝶形”组织。这进一步说 明了“蝶形”组织的产生与材料内部微小缺陷有关。

3 结论与建议

(1)轴 承 外 圈 滚 道 的 失 效 性 质 为 接 触 疲 劳 剥落。 (2)材料内部存在微小缺陷是“蝶形”组织产生 的原因,轴承外圈发生疲劳剥落与“蝶形”组织有关。 剥落原因为:“蝶形”组织与基体的硬度差异导致局 部应力集中,从而诱发裂纹萌生,在交变载荷的作用 下,裂纹与“蝶形”组织相互促进发展,并不断扩展至 表面,导致轴承外圈剥落。 (3)建议对轴承材料进行排查,并加强对轴承 的保护。