軸承失效模式分類與分析方法
2013-03-06
1 軸承失效的基本模式
軸承失效一般可分為止轉失效和喪精失效兩種。
止轉失效就是軸承因失去工作能力而終止轉動。例如卡死、斷裂等。
喪精失效就是軸承因幾何尺寸變化了配合間隙，失去了原設計要求的設計精度，雖尚能繼續轉動，但屬非正常運轉。例如磨損、腐蝕等。
按損傷機理大致可分為：接觸疲勞失效；磨擦磨損失效；斷裂失效；變形失效；腐蝕失效、和游隙變化失效等幾種基本模式。
1.1接觸疲勞失效
接觸疲勞失效是各類軸承表面Z常見的失效模式之一，是軸承表面受到交變應力的作用而產生的失效。接觸疲勞剝落在軸承表面也有疲勞裂紋的萌生、擴展和斷裂的過程。初始的接觸疲勞裂紋首先從接觸表面以下Z大正交切應力處產生，然后擴展到表面形成剝落，如麻點狀的稱為點蝕或麻點剝落；剝落成小片狀的稱淺層剝落。初始裂紋在硬化層與心部交界區產生，造成硬化層的早期剝落則稱為硬化層剝落。
1.2 磨損失效
軸承零件之間相對滑動摩擦導致其表面金屬不斷損失的現象稱為磨損。持續的磨損使零件尺寸和形狀變化，軸承配合間隙增大，工作表面形貌變壞從而喪失旋轉精度，使軸承不能正常工作，稱為軸承的磨損失效。磨損失效也是各類軸承表面Z常見的模式之一，按其磨損形式可分為磨粒磨損、粘著磨損、腐蝕磨損、微動磨損和疲勞磨損等。其中Z常見的為磨粒磨損和粘著磨損。軸承零件的摩擦面之間擠入外來硬顆?；蚪饘俦砻娴哪バ迹鹉Σ撩婺p的現象稱為磨粒磨損。它常在軸承表面造成鑿削式或犁溝式的擦傷。外來硬顆粒常常來自于空氣中的灰塵或潤滑劑中的雜質。粘著磨損主要是由于摩擦表面的顯微突起或摩擦異物使摩擦面受力不均，局部摩擦熱有可能使摩擦面形成顯微焊合。摩擦表面溫升高，會造成潤滑油膜破裂，嚴重時表面層金屬將會局部熔化，接觸點產生粘著、撕脫、再粘著的循環過程，構成粘著磨損。嚴重的粘著磨損會造成摩擦面的焊合和卡死。
1.3 斷裂失效
軸承零件斷裂將會造成突發性失效事故。軸承斷裂的主要原因是過載和缺陷兩大因素。由于外加載荷超過軸承零件材料的強度極限，造成軸承零件斷裂就稱過載斷裂。過載的原因可能是主機故障，也可能是軸承的結構或安裝不合理。另外，軸承零件存在著微裂紋、縮孔、氣泡和大塊外來夾雜物等缺陷，在正常載荷條件下，也會在缺陷處引起斷裂，稱為缺陷斷裂。軸承套圈和滾動體經鍛造、沖壓、熱軋、熱處理和磨加工過程中產生的過熱、過燒、局部
燒傷和表面裂紋就可能會引起軸承的斷裂失效。特別是磨削燒傷，檢查時不易發現，有磨削燒傷的套圈一受沖擊或振動就可能斷裂。
1.4 塑性變性失效
在外力和環境溫度的作用下，軸承零件表面局部塑性流動或整體的變形，致使整套軸承不能正常工作而造成的失效稱為變形失效。例如保持架翹曲、歪扭、兜孔拉長或框形保持架變形、靠套等都會造成軸承的早期失效。另外軸承摩擦造成的表面塑性劃痕也會引起振動和噪聲增大、溫度升高，從而加快軸承的早期失效。
1.5 腐蝕失效
軸承零件金屬表面同環境介質發生化學或電化學反應，造成的表面損傷和軸承的失效稱為腐蝕失效。能對軸承零件表面起化學作用的環境介質有大氣、濕氣、燃料和潤滑油的氧化產物（酸類、酮類、乙醇等）以及氧化產物的蒸氣等等。通常軸承表面腐蝕可以分為電介質腐蝕、有機酸腐蝕、其它介質腐蝕（如潤滑油中含有硫化物）和電流腐蝕等。腐蝕在軸承零件金屬表面造成氧化膜或腐蝕孔洞，使表面呈現局部或全部變色。硬脆松散的氧化膜和腐蝕反應物在載荷的作用下剝落，軸承表面生成蝕坑或造成工作表面粗化、進而形成腐蝕磨損或腐蝕疲勞失效。由于靜電荷或其他放電現象，致使軸承零件表面出現電擊的傷痕，稱為電流腐蝕，也是腐蝕失效的一種。
1.6 游隙變化失效
軸承在工作過程中，受外界或內在因素變化的影響，改變了原有的配合間隙，使精度降低，甚至造成咬死的現象，稱為游隙變化失效。軸承零件的組織（例如殘余奧氏體）和應力如果均處于不穩定狀態，隨著時間的延長其尺寸會發生變化，使軸承喪失運轉精度。由于軸承零件的尺寸與形狀不同，膨脹系數或膨脹量不同，在超常溫下工作就會造成軸承工作游隙變化，軸承也會因失去運轉精度造成早期失效。
2 影響軸承失效的因素
2.1 外來因素
外來因素主要是指安裝調整、使用保養、維護修理等是否符合技術要求。因而也稱之為使用因素。安裝條件是使用因素中的首要因素之一，軸承往往因安裝的不合適而導致整套軸承各零件之間的受力狀態發生變化，軸承將在不正常的狀態下運轉并提早失效。根據軸承安裝、使用、維護、保養的技術要求，對運轉中的軸承所承受的載荷、轉速、工作溫度、振動噪音和潤滑條件進行監控和檢查。發現異常立即查找原因，進行調整，使其恢復正常。對潤滑劑質量和周圍介質、氣氛進行分析檢驗也很重要。尤其是潤滑劑的正確使用對延長軸承的使用壽命是至關重要的。
2.2 內在因素
內在因素主要是指設計、制造工藝和材料質量等決定軸承質量的三大因素。也可稱之為制造質量因素。為了提高軸承的壽命和可靠性，人們圍繞著上述的三因素，做了大量的研究工作。首先，結構設計不合理當然不可能有合理的軸承壽命;僅有結構設計的合理性而不考慮先進性也不會有較長軸承壽命；只有結構設計同時具有合理性和先進性，才會有較長的軸承壽命。軸承的制造要經過鋼材冶煉、鍛造、沖壓、熱處理、車削、磨削和裝配等多種加工工序。各種加工工藝的合理性、先進性和穩定性也都會影響到軸承的壽命和失效分析。尤其是直接影響成品軸承質量的熱處理和磨加工工藝，往往與軸承的失效有著更直接的關系。軸承材料的冶金質量曾經是滾動軸承早期失效的主要影響因素。 隨著冶金技術(例如軸承鋼的真空脫氣等)的提高，原材料質量得到較大的改善，在軸承失效分析中所占的比重已經明顯下降，但至今它仍然是軸承失效的主要影響因素之一。另外，選材是否得當仍然是軸承失效分析必須考慮的因素。軸承失效分析的主要任務，就是根據大量的背景材料、分析數據和失效的形式，綜合分析，找出造成軸承失效的主要影響因素，以便有針對性地提出改進措施，提高軸承的服役期。避免軸承發生突發J性的早期失效。
3 軸承失效分析方法
一般情況下軸承失效分析大體可分為：失效實物和背景資料的收集，對失效實物的宏觀檢查和微觀分析等三個步驟。
3.1 失效實物和背景材料的收集
應該盡可能地收集到失效實物的各個零件和殘片。盡量多地了解到失效軸承的實際工作條件、使用過程和制造質量情況。這對于正確地失效分析是必不可少的。它具體包括以下的內容:
(1) 軸承所服役的機械設備的工作狀況、載荷和運轉速度、軸承在設備上的設計工作條件。
(2) 軸承失效的情況，只有軸承失效還是其他部分也失效，軸承失效大致屬于什么類型。
(3) 軸承的安裝運轉記錄，運轉使用過程中有無不正常操作。
(4) 軸承工作中所承受的真正負荷情況如何，是否符合原設計。
(5) 軸承工作的實際速度及不同速度出現的頻率。
(6) 失效時是否有溫度的急劇增加或冒煙、噪音及振動的突然增大。
(7) 工作環境中有無腐蝕性介質，軸承及其相接觸的軸頸處有無特殊的表面氧化或其他沾污色。
(8) 軸承的安裝記錄（包括安裝前軸承尺寸精度的復驗情況），軸和軸承的間隙、裝配和對中情況，軸承座和機架剛性如何，安裝是否有異常。
(9) 軸承運轉是否有熱膨脹及動力傳遞變化。
(10)軸承的潤滑情況，包括潤滑劑的牌號、成分、顏色、粘度、雜種含量、過濾、更換及供給情況等，并收集其沉淀物以備分析。
(11) 軸承的選材是否正確，用材質量是否符合標準或圖紙要求。
(12 )軸承的制造工藝過程是否正常，表面是否有塑性變化，有沒有表面磨削燒傷。
(13 )失效軸承的修復和保養記錄。
(14 )同批或同類軸承的失效情況。
3.2 宏觀檢查
對失效軸承進行宏觀檢查（包括尺寸精度測量和表面狀態檢查分析），是失效分析Z重要的環節。通過總體的外觀檢查，可了解軸承失效的概貌和損壞部位的特征，估計造成失效的起因，察看缺陷的大小、形狀、部位、數量和特征并確定截取的部位做進一步的微觀檢查和分析。
宏觀檢查的內容應包括：
(1) 外形和尺寸精度的變化情況（包括測振分析、動態函數分析和滾道不圓度分析）。
(2) 游隙的變化情況。
(3) 是否有腐蝕現象，在什么部位，是什么類型的腐蝕，是否與失效直接有關。
(4 )是否有破裂。裂紋的形態和斷口性質如何。
(5) 磨損是什么類型的，對失效有多大作用。
(6) 軸承各部件工作表面變色的情況和部位以確定其潤滑情況和表面溫度效應。
(7) 對失效特征區主要觀察有無異常磨損、外來顆粒潛入、裂紋、擦傷和其它缺陷。
(8) 冷酸洗法或熱酸洗法檢驗軸承零件原始表面有無軟點、脫碳層和燒傷，特別是表面磨削燒傷。
(9) 用X射線應力測定儀測量軸承工作前后的應力變化情況。宏觀檢查的結果，有時也可基本判斷失效的模式和原因，但要進一部確定失效的性質，取得更多的證據，還必須做微觀分析。
3.3 微觀分析
失效軸承的微觀分析包括光學金相分析、電子顯微分析、探針和電子能譜分析等。主要是根據失效特征區的微觀組織結構變化和對疲勞源、裂紋源的分析為失效分析提供更充分的判據或反證，因而是重要的。微觀分析中Z常用、Z普及的方法是斷口分析、光學金相分析和硬度檢測。
分析的內容應包括：
(1) 原材料材質是否符合標準和設計要求。
(2) 軸承零件的基體組織和熱處理質量是否符合標準要求。
(3) 表層組織是否存在脫碳層、托氏體和其它表面加工變質層。
(4) 測量滲碳層等表面強化層和多層金屬各層組織的深度、腐蝕坑或裂紋的形態與深度，并根據缺陷的形狀和兩側組織特征確定裂紋產生的原因及性質。
(5) 根據晶粒大小、組織變形、局部相變、重結晶、相聚集等判斷變形程度、溫升情況、材料種類及工藝過程等。
(6) 測量表面硬度、基體硬度、硬度均勻性及失效特征區的硬度變化。
(7) 斷口觀察與分析。掃描電子顯微鏡因具有景深大、放大倍數高、圖象清晰等優點，對斷口的觀察和定性、測量更具優越性。
(8) 電子顯微鏡、探針和電子能譜在疲勞源和裂紋源分析中能測出斷口異物的成分，發現斷口的性質和斷裂的原因。
這里所介紹的軸承失效分析一般方法的三個步驟是一個由表及里逐步深人的分析過程。具體分析時應根據軸承失效的類型和特點，并不是三個步驟中的每一個問題和每一種方法都對應使用。這要視具體情況決定取舍，但分析全過程的每一步驟是缺一不可的。而且在整個分析過程中，分析結果應始終與影響軸承失效的內、外諸多因素聯系起來，進行綜合思考與判斷。
