关于“轴承失效”的专业解释
2019/06/08 10:29:33
轴承是精密的机械基础件。由于科技进步的迅速发展，客户对轴承产品质量的要求越来越高。制造厂提供符合标准、满足主机使用性能的高质量的产品固然重要，但正确使用轴承更为重要。
失效机理
1．接触疲劳失效
接触疲劳失效系指轴承工作表面受到交变应力的作用而产生失效。接触疲劳剥落发生在轴承工作表面，往往也伴随着疲劳裂纹，首先从接触表面以下最大交变切应力处产生，然后扩展到表面形成不同的剥落形状，如点状为点蚀或麻点剥落，剥落成小片状的称浅层剥落。由于剥落面的逐渐扩大，而往往向深层扩展，形成深层剥落。深层剥落是接触疲劳失效的疲劳源。
2．磨损失效
磨损失效系指表面之间的相对滑动摩擦导致其工作表面金属不断磨损而产生的失效。持续的磨损将引起轴承零件逐渐损坏，并最终导致轴承尺寸精度丧失及其它相关问题。磨损可能影响到形状变化，配合间隙增大及工作表面形貌变化，可能影响到润滑剂或使其污染达到一定程度而造成润滑功能完全丧失，因而使轴承丧失旋转精度乃至不能正常运转。磨损失效是各类轴承常见的失效模式之一，按磨损形式通常可分为最常见的磨粒磨损和粘着磨损。
磨粒磨损系指轴承工作表面之间挤入外来坚硬粒子或硬质异物或金属表面的磨屑且接触表面相对移动而引起的磨损，常在轴承工作表面造成犁沟状的擦伤。硬质粒子或异物可能来自主机内部或来自主机系统其它相邻零件由润滑介质送进轴承内部。粘着磨损系指由于摩擦表面的显微凸起或异物使摩擦面受力不均，在润滑条件严重恶化时，因局部摩擦生热，易造成摩擦面局部变形和摩擦显微焊合现象，严重时表面金属可能局部熔化，接触面上作用力将局部摩擦焊接点从基体上撕裂而增大塑性变形。这种粘着——撕裂——粘着的循环过程构成了粘着磨损，一般而言，轻微的粘着磨损称为擦伤，严重的粘着磨损称为咬合。
3．断裂失效
轴承断裂失效主要原因是缺陷与过载两大因素。当外加载荷超过材料强度极限而造成零件断裂称为过载断裂。过载原因主要是主机突发故障或安装不当。轴承零件的微裂纹、缩孔、气泡、大块外来杂物、过热组织及局部烧伤等缺陷在冲击过载或剧烈振动时也会在缺陷处引起断裂，称为缺陷断裂。应当指出，轴承在制造过程中，对原材料的入厂复验、锻造和热处理质量控制、加工过程控制中可通过仪器正确分析上述缺陷是否存在，今后仍必须加强控制。但一般来说，通常出现的轴承断裂失效大多数为过载失效。
4．游隙变化失效
轴承在工作中，由于外界或内在因素的影响，使原有配合间隙改变，精度降低，乃至造成“咬死”称为游隙变化失效。外界因素如过盈量过大，安装不到位，温升引起的膨胀量、瞬时过载等，内在因素如残余奥氏体和残余应力处于不稳定状态等均是造成游隙变化失效的主要原因。
轴承失效分析方法
在分析轴承失效的过程中，往往会碰到许多错综复杂的现象，各种实验结果可能是相互矛盾或者主次不清，这就需要经过反复实验、论证，以获得足够的证据或反证。只有运用正确的分析方法、程序、步骤，才能找到引发失效的真正原因。一般情况下轴承失效分析大体可分为以下三个步骤：失效实物和背景资料的收集、对失效实物的宏观检查和微观分析。
1.失效实物和背景材料的收集
尽可能地收集到失效事物的各个零件和残片。充分了解失效轴承的工作条件、使用过程和制造质量等。具体内容包括：
（1）主机的载荷、转速、工作状况等轴承的设计工作条件。
（2）轴承及其相关部位其他零件的失效情况，轴承失效的类型。
（3）轴承的安装运转记录。运转使用过程中有无不正常操作。
（4）轴承工作中所承受的实际载荷是否符合原设计。
（5）轴承工作的实际转速及不同转速出现的频率。
（6）失效时是否有温度的急剧增加或冒烟，是否有噪声及振动。
（7）工作环境中有无腐蚀性介质，轴承与轴颈间有无特殊的表面氧化色或其他沾污色。
（8）轴承的安装记录（包括安装前轴承尺寸公差的复验情况），轴承原始间隙、装配和对中情况，轴承座和机座刚性如何，安装是否有异常。
（9）轴承运转是否有热膨胀及动力传递变化。
（10）轴承的润滑情况，包括润滑剂的牌号、成分、颜色、粘度、杂质含量、过滤、更换及供给情况等，并收集其沉淀物。
（11）轴承的选材是否正确，用材质量是否符合有关标准或图样要求。
（12）轴承的制造工艺过程是否正常，表面是否有塑性变形，有没有表面磨削烧伤。
（13）失效轴承的修复和保养记录。
（14）同批或同类轴承的失效情况。
在收集实际背景材料工作中，全部满足上述要求是很难的。但收集到的资料越多，无疑会更有利于得到正确的分析结论。
2.宏观检查
对失效轴承进行宏观检查（包括尺寸公差测量和表面状态检查分析），是失效分析最重要的环节。总体的外观检查，可了解轴承失效的概貌和损坏部位的特征，估计造成失效的起因，察看缺陷的大小、形状、部位、数量和特征，并截取适当部位做进一步的的微观检查和分析。宏观检查的内容包括：
（1）外形和尺寸的变化情况（包括测振分析、动态函数分析和滚道圆度分析）。
（2）游隙的变化情况。
（3）是否有腐蚀现象，在什么部位，是什么类型的腐蚀，是否与失效直接有关。
（4）是否有裂纹，裂纹的形态和断口性质如何。
（5）磨损是什么类型的，对失效有多大作用。
（6）观察轴承各零件工作表面变色的情况和部位以确定其润滑情况和表面温度效应。
（7）对失效特征区主要观察有无异常磨损、外来颗粒嵌入、裂纹、擦伤和其他缺陷。
（8）冷酸洗法或热酸洗法检验轴承零件原始表面有无软点、脱碳层和烧伤，特别是表面磨削烧伤。
（9）用X射线应力测定仪器测量轴承工作前后的应力变化情况。
宏观检查的结果，有时可基本判断失效的形式和原因，但要进一步确定失效的性质，还必须取得更多的证据，做微观分析。
3.微观分析
失效轴承的微观分析包括光学金相分析、电子显微镜分析、探针和电子能谱分析等。主要是根据失效特征区的微观组织结构变化和对疲劳源、裂纹源的分析为失效分析提供更充分的判据或反证。微观分析中最常用、最普遍的方法是光学金相分析和对表面硬度检测。分析的内容应包括：
（1）材料质量是否符合有关标准和设计要求。
（2）轴承零件的基本组织和热处理质量是否符合有关要求。
（3）表层组织是否存在脱碳层、托氏体和其他表面加工变质层。
（4）测量渗碳层等表面强化层和多层金属各层组织的深度，腐蚀坑或裂纹的形态与深度，并根据裂纹的形状和两侧组织特征确定裂纹产生的原因及性质。
（5）根据晶粒大小、组织变形、局部相变、重结晶、相聚集等判断变形程度、温升情况、材料种类及工艺过程等。
（6）测量基本硬度、硬度均匀性及失效特征区的硬度变化。
（7）断口观察与分析。用扫描电子显微镜定性分析和测量观察断口。
（8）电子显微镜、探针和电子能谱在疲劳源和裂纹源分析中能测出断口的成分，发现断口的性质和断裂的原因。
以上介绍的轴承失效分析一般方法的三个步骤是一个由表及里逐步深入的分析过程。具体每一步骤中包含的内容应根据轴承失效的类型和特点，视具体情况取舍，但分析步骤是缺一不可的。而且在整个分析过程中，分析结果应始终与影响轴承失效的诸多因素联系起来，综合考虑。
轴承常见失效模式及对策
1．沟道单侧极限位置剥落
沟道单侧极限位置剥落主要表现在沟道与挡边交界处有严重的剥落环带。产生原因是轴承安装不到位或运转过程中突发轴向过载。采取对策是确保轴承安装到位或将自由侧轴承外圈配合改为间隙配合，以期轴承过载时使轴承得到补偿。
2．沟道在圆周方向呈对称位置剥落
对称位置剥落表现在内圈为周围环带剥落，而外圈呈周向对称位置剥落（即椭圆的短轴方向），其产生原因主要是因为外壳孔椭圆过大或两半分离式外壳孔结构，这在摩托车用凸轮轴轴承中表现尤为明显。当轴承压入椭圆偏大的外壳孔中或两半分离式外壳固紧时，使轴承外圈产生椭圆，在短轴方向的游隙明显减少甚至负游隙。轴承在载荷的作用下，内圈旋转产生周向剥落痕迹，外圈只在短轴方向的对称位置产生剥落痕迹。这是该轴承早期失效的主要原因，经对该轴承失效件检验表明，该轴承外径圆度已从原工艺控制的0.8μm变为27μm。此值远远大于径向游隙值。因此，可以肯定该轴承是在严重变形及负游隙下工作的，工作面上易早期形成异常的急剧磨损与剥落。采取的对策是提高外壳孔加工精度或尽可能不采用外壳孔两半分离结构。
3．滚道倾斜剥落
在轴承工作面上呈倾斜剥落环带，说明轴承是在倾斜状态下工作的，当倾斜角达到或超过临界状态时，易早期形成异常的急剧磨损与剥落。产生的原因主要是因为安装不良，轴有挠度、轴颈与外壳孔精度低等，采取对策为确保轴承安装质量与提高轴肩、孔肩的轴向跳动精度。
4．套圈断裂
套圈断裂失效一般较少见，往往是突发性过载造成。产生原因较为复杂，如轴承的原材料缺陷（气泡、缩孔）、锻造缺陷（过烧）、热处理缺陷（过热）、加工缺陷（局部烧伤或表面微裂纹）、主机缺陷（安装不良、润滑贫乏、瞬时过载）等，一旦受过载冲击负荷或剧烈振动均有可能使套圈断裂。采取对策为避免过载冲击载荷、选择适当的过盈量、提高安装精度、改善使用条件及加强轴承制造过程中的质量控制。
5．保持架断裂
保持架断裂属于偶发性非正常失效模式。其产生原因主要有以下五个方面：
a．保持架异常载荷。如安装不到位、倾斜、过盈量过大等易造成游隙减少，加剧摩擦生热，表面软化，过早出现异常剥落，随着剥落的扩展，剥落异物进入保持架兜孔中，导致保持架运转阻滞并产生附加载荷，加剧了保持架的磨损，如此恶化的循环作用，便可能造成保持架断裂。
b．润滑不良主要指轴承运转处于贫油状态，易形成粘着磨损，使工作表面状态恶化，粘着磨损产生的撕裂物易进入保持架，使保持架产生异常载荷，有可能造成保持架断裂。
c．外来异物的侵入是造成保持架断裂失效的常见模式。由于外来硬质异物的侵入，加剧了保持架的磨损与产生异常附加载荷，也有可能导致保持架断裂。
d．蠕变现象也是造成保持架断裂的原因之一。所谓蠕变多指套圈的滑动现象，在配合面过盈量不足的情况下，由于滑动而使载荷点向周围方向移动，产生套圈相对轴或外壳向圆周方向位置偏离的现象。蠕变一旦产生，配合面显著磨损，磨损粉末有可能进入轴承内部，形成异常磨损——滚道剥落——保持架磨损及附加载荷的过程，以至可能造成保持架断裂。
e．保持架材料缺陷（如裂纹、大块异金属夹杂物、缩孔、气泡）及铆合缺陷（缺钉、垫钉或两半保持架结合面空隙，严重铆伤）等均可能造成保持架断裂。采取对策为在制造过程中加以严格控制。
总结
综上所述，从轴承常见失效机理与失效模式可知，尽管滚动轴承是精密而可靠的机构基础体，但使用不当也会引起早期失效。一般情况下，如果能正确使用轴承，可使用至疲劳寿命为止。轴承的早期失效多起于主机配合部位的制造精度、安装质量、使用条件、润滑效果、外部异物侵入、热影响及主机突发故障等方面的因素。因此，正确合理地使用轴承是一项系统工程，在轴承结构设计、制造和装机过程中，针对产生早期失效的环节，采取相应的措施，可有效地提高轴承及主机的使用寿命，这是制造厂和客户应负有的共同责任。