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滚动轴承常见的失效形式及原因分析+浪逐风尖2008-11-05 10:55滚动轴承在使用过程中,由于很多原因造成其性能指标达不到使用要求时就产生了失效或损坏.常见的失效形式有疲劳剥落、磨损、塑性变形、腐蚀、烧伤、电腐蚀、保持架损坏等。
一，疲劳剥落疲劳有许多类型，对于滚动轴承来说主要是指接触疲劳。
滚动轴承套圈各滚动体表面在接触应力的反复作用下，其滚动表面金属从金属基体呈点状或片状剥落下来的现象称为疲劳剥落。
点蚀也是由于材料疲劳引起一种疲劳现象，但形状尺寸很小，点蚀扩展后将形成疲劳剥落。
疲劳剥落的形态特征一般具有一定的深度和面积，使滚动表面呈凹凸不平的鳞状，有尖锐的沟角．通常呈显疲劳扩展特征的海滩装纹路．产生部位主要出现在套圈和滚动体的滚动表面．轴承疲劳失效的机理很复杂，也出现了多种分析理论，如最大静态剪应力理论、最大动态剪应力理论、切向力理论、表面微小裂纹理论、油膜剥落理论、沟道表面弯曲理论、热应力理论等。
这些理论中没有一个理论能够全面解释疲劳的各种现象，只能对其中的部分现象作出解释。
目前对疲劳失效机理比较统一的观点有：1、次表面起源型次表面起源型认为轴承在滚动接触部位形成油膜的条件下运转时，滚动表面是以内部（次表面）为起源产生的疲劳剥落。
2、表面起源型表面起源型认为轴承在滚动接触部位未形成油膜或在边界润滑状态下运转时，滚动表面是以表面为起源产生的疲劳剥落。
3、工程模型工程模型认为在一般工作条件下，轴承的疲劳是次表面起源型和表面起源型共同作用的结果。
疲劳产生的原因错综复杂，影响因素也很多，有与轴承制造有关的因素，如产品设计、材料选用、制造工艺和制造质量等；也有与轴承使用有关的因素，如轴承选型、安装、配合、润滑、密封、维护等。
具体因素如下：A、制造因素1、产品结构设计的影响产品的结构设计是根据使用性能目标值来确定的，这些目标值如载荷容量、寿命、精度、可靠性、振动、磨损、摩擦力矩等。
在设计时，由于各种原因，会造成产品设计与使用的不适用或脱节，甚至偏离了目标值，这种情况很容易造成产品的早期失效。
滚动轴承常见失效形式及原因分析滚动轴承在使用过程中,由于很多原因造成其性能指标达不到使用要求时就产生了失效或损坏.常见的失效形式有疲劳剥落、磨损、塑性变形、腐蚀、烧伤、电腐蚀、保持架损坏等。
一，疲劳剥落疲劳有许多类型，对于滚动轴承来说主要是指接触疲劳。
滚动轴承套圈各滚动体表面在接触应力的反复作用下，其滚动表面金属从金属基体呈点状或片状剥落下来的现象称为疲劳剥落。
点蚀也是由于材料疲劳引起一种疲劳现象，但形状尺寸很小，点蚀扩展后将形成疲劳剥落。
疲劳剥落的形态特征一般具有一定的深度和面积，使滚动表面呈凹凸不平的鳞状，有尖锐的沟角．通常呈显疲劳扩展特征的海滩装纹路．产生部位主要出现在套圈和滚动体的滚动表面。
轴承疲劳失效的机理很复杂，也出现了多种分析理论，如最大静态剪应力理论、最大动态剪应力理论、切向力理论、表面微小裂纹理论、油膜剥落理论、沟道表面弯曲理论、热应力理论等。
这些理论中没有一个理论能够全面解释疲劳的各种现象，只能对其中的部分现象作出解释。
目前对疲劳失效机理比较统一的观点有：>>>>1、次表面起源型次表面起源型认为轴承在滚动接触部位形成油膜的条件下运转时，滚动表面是以内部（次表面）为起源产生的疲劳剥落。
>>>>2、表面起源型表面起源型认为轴承在滚动接触部位未形成油膜或在边界润滑状态下运转时，滚动表面是以表面为起源产生的疲劳剥落。
>>>>3、工程模型工程模型认为在一般工作条件下，轴承的疲劳是次表面起源型和表面起源型共同作用的结果。
疲劳产生的原因错综复杂，影响因素也很多，有与轴承制造有关的因素，如产品设计、材料选用、制造工艺和制造质量等；也有与轴承使用有关的因素，如轴承选型、安装、配合、润滑、密封、维护等。
具体因素如下：（1）制造因素a.产品结构设计的影响产品的结构设计是根据使用性能目标值来确定的，这些目标值如载荷容量、寿命、精度、可靠性、振动、磨损、摩擦力矩等。
常见滚动轴承的失效形式及原因分析滚动轴承可以有效地减少轴承各零部件之间的摩擦，从而更加流畅地运转，可以有效帮助提高机械设备的使用性能。
但滚动轴承在长时间使用后有时会出现失效的现象，那么，大家知道常见滚动轴承的失效形式及原因具体都有哪些吗？又该如何处理解决轴承失效呢？小编为大家进行了详细的总结，下面一起来了解一下吧。
一、轴承的正常疲劳失效失效产生原因：轴承在其运转总小时数或总转数超过轴承计算寿命后，所发生的疲劳剥落为正常疲劳失效。
产生正常疲劳失效的原因是滚动表面的金属由于运转时的应力循环数超过材料的疲劳极限，从次表层开始萌生疲劳裂纹，并向表面层开裂而落下金属碎片———剥落。
失效表现特征：疲劳裂纹的萌生在次表层，故看不见，用普通仪器也无法侦听到。
剥落的屑片表面粗糙而不规则，原滚动表面留下疤痕状小坑，称为点蚀。
点蚀一旦出现，即迅速扩展，短时间内即引起全面疲劳剥落，宜及早更换轴承，否则将引起轴承的事故性报废，可能对安装部位甚至对整机带来严重的后果。
失效处理办法：超过计算寿命的疲劳剥落，实际上是不可避免的终必然发生的现象，这时材料的潜力已被充分利用。
如用户在工作寿命方面的要求仍不满足，可在轴承的润滑剂中加添合适的极压添加剂，改用性能更高或尺寸更大的轴承，或选用真空冶炼、多次真空重炼等钢材所制轴承。
二、轴承的正常磨损失效失效产生原因：轴承在其运转总小时数或总转数超过轴承的计算寿命，或超过磨损寿命后的过度磨损，为正常磨损失效。
滚动轴承的运动都伴有微小滑动，所受负荷也总有一定波动，因而润滑可延缓磨损但实际不能避免两界面的固体接触，即不能完全避免磨损。
失效表现特征：滚动表面沿运动方向发生较光滑的磨损条纹，新条纹有较显著的金属光泽。
滚动轴承的正常磨损也有三个阶段，即短期的“跑合”磨损，很长时间的平缓磨损，以及短期的剧烈磨损，终使轴承的精度丧失，或引起振动和噪声而不能继续使用。
失效处理办法：超过额定寿命或磨损寿命的磨损失效，在现有技术水平条件下实际上也是不可避免的。
滚动轴承常见的失效形式及原因分析滚动轴承是一种用于支撑和减少摩擦的常用机械元件。
它们广泛应用于各种机械设备和领域，如汽车、风力发电、机械制造等。
然而，由于工作环境的恶劣条件或长期运行等原因，滚动轴承可能会出现各种故障和失效。
以下是滚动轴承常见的失效形式及其原因分析。
1.疲劳失效：疲劳失效是滚动轴承最常见的失效形式之一、它通常在长时间高速运转或载荷较大的情况下发生。
轴承在不断重复的载荷下产生微小的裂纹，最终导致轴承出现断裂。
这种失效通常与以下原因有关：-动载荷过大：轴承在长时间内承受过大的动载荷，超出了其额定负荷能力。
-轴承安装不当：安装不当会使轴向载荷分布不均匀，导致局部载荷过大。
-润滑不良：缺乏或过多的润滑剂都会导致轴承摩擦增加，使得轴承易于疲劳失效。
2.磨损失效：磨损是轴承常见的失效形式之一、它通常发生在轴承和周围部件之间的摩擦表面上。
常见的磨损形式包括：-磨粒磨损：当粉尘、金属碎屑等进入轴承内部时，会使滚动体、保持架等部件发生磨损。
-粘着磨损：当润滑不良时，摩擦表面出现直接接触，轴承可能会发生粘着磨损。
-磨料磨损：当轴承受污染物质时，如沙尘、水等，会导致轴承表面产生磨料磨损。
3.返现失效：轴承返现是指滚动体和滚道之间的剥离、严重滚道表面损伤或磨擦减小所引起的失效。
返现失效的原因主要有：-轴承清洗不当：清洗过程中使用的溶剂或清洁剂残留在轴承内部，导致润滑性能下降，滚动体容易返现。
-轴承热胀冷缩：当轴承受到温度变化时，轴承和轴承座之间的配合间隙有可能发生变化，导致轴承返现。
-润滑不良：缺乏或过多的润滑剂会导致轴承受到不均匀的载荷分布，容易引起轴承返现。
4.偏磨失效：偏磨是指轴承滚动体在滚道上发生偏磨，导致滚道表面形变或表面破坏。
-不均匀载荷：长期承受不均匀载荷会导致滚动体在滚道上的位置发生偏移，从而引起偏磨失效。
-润滑不良：过多或过少的润滑剂会导致轴承滚动体和滚道之间的摩擦增加，从而引起偏磨。
E2330轴承内套滚道剥离失效分析
李海刚
DemoLaboratory of BEI JING OPTON ZEISS scanning electron microscope
摘要:通过蔡司扫描电子显微镜及能谱仪测试分析E2330轴承内套滚道剥落的原因。
结果表明:由于E2330轴承内套成分不均,引起轴套内局部的碳、铬元素浓度的偏高，形成大量大块呈圆形碳化物、淬火组织和残余应力的分布不均匀即增加了基体脆性，导致了E2330轴承内套早期剥落失效。
abstract:through the ZEISS scanning electron microscope and energy-dispersive spectroscopy (eds) test analysis, E2330 bearingsinsideset of groove causes are determined. The results show that: E2330 bearings inside because of the uneven composition, cause local of carbon in the collar, chromate element concentration on the high side, form a large chunk of a round carbide, quenching organization and residual stress of uneven distribution that to increase the matrix brittle, leading to the E2330 bearings inside set of early failureof spalling.
关键词:轴承滚道；剥落；碳化物；应力
keyword:balltrack；spalling；carbide；stress
轴承内套在工作中往往会由于结构设计不合理，材料质量差、性能低，工作表面的缺陷、冲击、振动、安装不当和润滑不良等原因，造成轴承早期失效。
有关资料[1]表明轴承材料问题和使用不当造成的轴承早期失效，要占到轴承失效事故总量的90%以上。
某公司生产的E2330轴承内套滚道，在使用过程中出现轴承内套滚道早期剥落失效现象，在反复的滚动和滑动作用下，轴承和轴承套圈接触表层和表面将出现疲劳。
重复性的加载、卸载循环会产生表层变形和表面裂纹，超过一定循环次数后，表面最终剥离出碎片，在表面上留下凹坑，它们被称为点蚀或剥落坑。
Φ300mmGCr15轴承钢内套在滚道处发生较大面积的剥落，因在剥落后机器仍在运转，轴承内套滚套在轴承反复的滚动和滑动作用下，剥落坑断裂原始面貌已经面目全
非，坑底表面十分光滑，给分析剥落原因带来较大困难，为此，笔者采取综合分析方法，在蛛丝马迹中寻找可疑的信息，在剥离处中心沿纵向切开，进行扫描电镜及能谱分析，以寻求失效根本原因。
1 蔡司扫描电子显微镜及能谱仪测试分析
1.1在剥离处中心沿纵向切开，进行扫描电镜观察；经拆套后发现钢球、保持架以及外套都完好无损，只有轴承的内套滚道撕裂剥离，剥离坑呈V字形，剥离坑底部光滑，坑的上下各有一处凸起及二次裂纹，如图1、2所示。
图1轴承内套滚道撕裂剥落图 1 轴承内套滚道剥落小颗粒
的宏观形貌形貌
1.2 在轴承内套滚道上取样，试样经磨抛后，经4%硝酸酒精溶液腐蚀后，在蔡司扫描电子显微镜观察剥离部位附近的纵向面上存在较多的大块呈圆形碳化物，不均匀分布，见图
2.1、2.2、2.3、2.4所示；碳化物组织颗粒边缘的微裂纹形貌，见图2.5、2.6所示。
大块圆形碳化物、碳化物组织颗粒边缘的微裂纹形貌，使热处理后轴承套的使用性能变差、寿命变短。
2.12.2
2.32.4
2.52.6
图2扫描电镜轴承内套滚道的碳化物组织
1.3在原始轴承内套滚道上取样，经过酒精清洗后，在蔡司扫描电子显微镜观察原始轴承内套滚道剥离形貌中，发现多处剥离一次裂纹及二次裂纹，如图3.1、3.2所示；在轴承内圈滚道底部剥落块观察到的接触疲劳轮胎状条纹形貌，在疲劳裂纹开裂后的断口相对面上，
在规则的往复推压时，由相对面上的尖刃，大颗粒碳化物质点反复挤压或刻入形成压痕，这些压痕与汽车轮胎在泥地上的压痕十分相似，因此成为轮胎压痕，如图3.3所示；在轴承内圈滚道底部观察到的接触疲劳剥落块形貌，如图3.4所示。
3.13.2
3.3 3.4
图3轴承内套滚道的剥落裂纹形貌
1.4对经4%硝酸酒精溶液腐蚀后试样进行蔡司扫描电子显微镜
结合能谱，进行能谱测试，发现显微组织中碳化物中大量存在强碳化物元素，表明轴承内套在进行回火时碳化物不能充分分解，并其中任意一个碳化物进行能谱分析，分析表明碳化物中含有大量的强碳化物形成元素，进而推理轴套存在合金元素分成偏析，结果如图4所示。
图 4轴承内套滚道的碳化物能谱分析
2 讨论与分析
从扫描电镜观察到的剥落块疲劳条纹特征得以证实，轴承内套在滚道处发生较大面积的剥落，属于在交变应力作用下的疲劳磨损断裂。
实验证实，疲劳磨损剥落是由四个连续过程形成的，（1）在压力p 作用下，除在接触表面产生拉应力外，在载荷点的下方还存在剪切应力，在交变剪切应力作用下，使表层产生周期性变形和位错行为；（2）在碳化物、组织应力集中的影响下，微小裂纹或空穴在变形中形成并不断积聚；（3）在金属产生塑性剪切变形时，裂纹在近乎与表面平行的方向上扩展；（4）当裂纹扩展到表面时便形成薄片剥离层而最终剥离下来；最终轴承内套滚道发生早期失效分析。
G15轴套中一次碳化物是产生疲劳磨损断裂的根源，扫描电镜都
观察到剥离部位附近的纵向面上存在较多的大块呈圆形碳化物，这种碳化物也叫做液析碳化物，其来源于G15钢材的冶炼和连铸或模铸过程；轴承钢因化学成分的高碳、含有1.5% 左右的Cr，在凝固过程中遵循相律和选分结晶的自然规律，钢液最终凝固时在树枝状晶之间凝固析出(Fe,Cr) 3C 及Cr7C3大颗粒碳化物，即碳化物液析。
这种碳化物属于三角晶系，其硬度和脆性极高，易与奥氏体形成亚稳态莱氏体共晶产物，是碳化物不均匀性中危害最大的一种，其破坏性要远远大于点状不变形夹杂物和氧化物夹杂。
液析碳化物破坏了轴套性能的连续性，使用过程中在交变载荷、冲击载荷的作用下、液析碳化物处极易产生应力集中、而且由于液析碳化物和基体的热膨胀系数不同、在压力加工过程中或零件热处理时、在液析碳化物和基体的界面上易形成初始微裂纹、初始微裂纹是轴承疲劳磨损断裂的裂纹源和产生疲劳剥落的根本原因。
蔡司扫描电子显微镜结合能谱，进行能谱分析测试，表明碳化物中强碳化物形成元素Cr、Mn元素含量过高，从而表明轴承内套存在成分偏析现象，在随后的热处理过程中改变相图C曲线位置，使组织相变不能同时发生形成大量呈圆形的碳化物、淬火组织和残余应力的分布不均匀即增加了基体脆性，削弱了晶粒与晶粒、晶粒与基体以及基体与基体之间的接合力；在含Cr、Mn元素含量过高区域形成大块状碳化物，存在大量大块状碳化物、碳化物硬度很高、塑性、韧性几乎为零，脆性很大。
在反复的滚动、滑动、重复性的加载和卸载循环作用，轴承和轴承套圈接触表层和表面为疲劳作用情况下，碳化物、
组织及残余应力导致轴套微裂纹产生，超过一定循环次数后，微裂纹进步扩展到轴套表面，最终轴套表面出现剥离碎片及产生裂纹，导致轴套早起失效。
综上所述：E2330轴承内套滚道在交变剪切应力作用下，大颗粒液析碳化物及组织应力部均匀分布成为疲劳磨损断裂的裂纹源并产生微裂纹，这些微裂纹扩展到一定程度时，连接在一起，造成E2330轴承内套滚道剥落失效。
3 结论
E2330轴承内套滚道剥落的原因是轴承滚道显微组织存在大量大块状呈圆形碳化物、淬火组织和残余应力的分布不均匀性。
4 改进措施
1、E2330轴承内套原2材料GCrl5在生产上，首先应从冶炼浇铸工艺着手，尽最大可能降低成分偏析程度，控制GCrl5钢中碳化物的形状和尺寸；然后在加工工序采取合理的扩散处理措施。
就轧钢工序而言，提高加热温度，延长加热时间，是消除液析碳化物的有效途径之一。
2、在E2330轴承内套热处理工艺上，加热要充分，炉温要均匀，合理提高奥氏体化热处理温度、延长奥氏体化时间、适当提高相变冷却速度；从而达到成分扩散均匀，抑制大块碳化物析出、避免热处理相变时组织应力产生，是防止E2330轴承内套滚道剥落早期失效的重要途径。
参考文献:
[ 1] 雷建中.国内外轴承失效分析[ C] / /第九届南通-洛阳暨华东轴承热处理技术交流会论文集.南通: [ s. n. ],2007.。
