軸承套圈斷裂裂紋失效分析

軸承在進(jìn)行超精加工過(guò)程中只有極少部分軸承套圈斷裂，但是會(huì)有很多套軸承的套圈出現(xiàn)裂紋，并且在放置過(guò)程中又陸續(xù)有更多的軸承套圈出現(xiàn)了裂紋。這是怎么回事呢？根據(jù)對(duì)軸承套圈加工知識(shí)的了解，來(lái)分享下軸承套圈在加工過(guò)程中出現(xiàn)斷裂失效的分析及原因介紹。
1、軸承套圈斷裂樣品分析
首先將軸承套圈斷裂失效樣品的斷裂面整個(gè)切下，以觀察斷裂形貌特征。其他有裂紋的軸承套圈無(wú)損檢測(cè)后在相應(yīng)的裂紋產(chǎn)生的位置用記號(hào)筆坐下標(biāo)記，沿著做標(biāo)記的位置取樣，盡量保證將裂紋包括在內(nèi)并且恰好在表面呈現(xiàn)。
2、宏觀和微觀結(jié)果分析
軸承失效外圈斷口主要裂紋源為臺(tái)階處的立面，在立面上存在較多比較平滑的波紋狀區(qū)域及孔洞，并在較低臺(tái)階的兩個(gè)面上都發(fā)現(xiàn)了較為明顯的內(nèi)部裂紋。
將開(kāi)裂的試樣沿裂紋深度方向做成金相試樣，拋光并腐蝕后通過(guò)打描電子顯微鏡研究裂紋的微觀形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)裂紋基本垂直于表面向內(nèi)擴(kuò)展，為彎曲走向，呈鋸齒狀，也有不連續(xù)現(xiàn)象，并在一些區(qū)域存在顯微孔洞，裂紋為沿晶開(kāi)裂，裂紋附近的組織與基體組織相同，但顏色稍深。
根據(jù)上面的分析及延遲斷裂的特征，基本可以判定該開(kāi)裂現(xiàn)象屬于氫致延遲斷裂范疇，排除淬火裂紋的可能，屬于磨削開(kāi)裂現(xiàn)象的一種。
磨削是微型軸承加工的重要工序之一。一般情況下，磨削時(shí)表面的溫度非常高，許多試驗(yàn)也證明磨削區(qū)的溫度可以驟然升高到400~ 1000C。同時(shí)，在冷卻液及工件自身導(dǎo)熱的作用下，工件表層又會(huì)被急速冷卻，類似于一種瞬時(shí)的熱處理過(guò)程，通常把這種薄層稱為磨削變質(zhì)層，急冷后形成二次淬火層，而同時(shí)在工件的次表面由于磨削產(chǎn)生的熱量還沒(méi)有完全散失，反過(guò)來(lái)對(duì)表面二次淬火層又進(jìn)行了自回火。當(dāng)自回火溫度接近材料的最終回火溫度時(shí)，腐蝕后的組織就會(huì)和心部正常顯微組織接近，但顏色會(huì)稍有不同。磨削熱使工件表面的溫度升高，而工件表面又會(huì)在冷卻液的作用下急冷，這個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生非常大的熱應(yīng)力。由于磨削變質(zhì)層很淺，最大殘余應(yīng)力也會(huì)出現(xiàn)在磨削表面較小的范圍內(nèi)，所以磨削裂紋一般都比較淺。
另外，金屬材料在加工制造過(guò)程中易受到氫的侵入。研究表明，一般鋼中的含氫量在(5~10)×10-4%以上時(shí)可產(chǎn)生氫致裂紋，但對(duì)于高輕度鋼，即使鋼中的氫含最小于1×10-4%，也可以產(chǎn)生氫致裂紋。在磨削過(guò)程中，由于應(yīng)力的作用，原來(lái)處在點(diǎn)陣中的氫原子會(huì)通過(guò)擴(kuò)散集中于裂紋尖端等應(yīng)力集中處，并優(yōu)先積聚在品界和位錯(cuò)等缺陷位置，氫原子與位錯(cuò)的交互作用，使位錯(cuò)線被釘扎住，不能再自由活動(dòng)，從而使基體變脆。在外加或殘余拉應(yīng)力作用下，氫原子通過(guò)降低材料的結(jié)合力、表面能或改變其塑性變形行為等各種可能的方式，導(dǎo)致材料脆化，有人通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)也證明了氫對(duì)GCr15的磨削裂紋的形成和擴(kuò)展都有促進(jìn)作用。
一般情況，只有硬度45HRC以上的金屬材料才有磨削開(kāi)裂的可能，而要達(dá)到此硬度要求，其顯微組織.一般應(yīng)為回火馬氏體、貝氏體等。由于淬火馬氏體存在大量晶體缺陷(位錯(cuò)等)，以及淬火后的殘余應(yīng)力存在，增大了吸氫效應(yīng)，因此淬火馬氏體(低溫回火馬氏體)是對(duì)氫脆最為敏感的顯微組織。另外，本文中所用到的軸承制品加人了深冷處理工序。深冷處理相當(dāng)于二次淬火，其主要作用是將材料中的殘留奧氏體在更低的溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，也容易產(chǎn)生磨削開(kāi)裂。
3、結(jié)果
(1) 該軸承部件的開(kāi)裂為氫致延遲性破裂，屬于磨削開(kāi)裂的一種。
(2)針對(duì)氫致延遲斷裂這種磨削開(kāi)裂模式，需要在磨削過(guò)程中調(diào)整相關(guān)參數(shù)，一方面盡量降低磨削熱的大量積聚，如控制單次進(jìn)給量等;另方面就是可考慮在深冷處理前增加一道回火工序，或在深冷處理后迅速進(jìn)行更高一點(diǎn)溫度的回火處理，具體工藝參數(shù)也有待進(jìn)步的研究。