某航空发动机轴承钢球失效分析

李 青，佟文伟，张开阔，王 全

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

0 引言

轴承用来支撑转动轴或其它旋转零件，引导旋转运动，并承受传递给支架的载荷[1]。随着航空发动机性能不断提升，轴承的作用愈发凸显。钢球作为轴承的主要零件，对轴承的精度、运转性能、使用寿命等均有影响。统计表明：在轴承的失效形式中，由于钢球表面缺陷引起的裂纹、裂缝造成的轴承失效高达65%[2]。

某航空用轴承在使用中有1粒钢球表面产生了裂纹，且在裂纹附近伴随有剥落现象。故障钢球材料为轴承钢W9Cr4V2Mo，硬度HRC=61～65。

本文对故障钢球进行了宏观和微观检查，对裂纹断口和钢球材质进行分析，确定了故障钢球表面剥落和裂纹性质，找到了故障原因，并提出了改进建议。

1 检查与分析结果

1.1 宏观检查

故障钢球宏观图像如图1所示。从图中可见，钢球整体表面光亮，未见高温变色，裂纹长约13mm，裂纹附近存在剥落现象。

1.2 钢球表面剥落区检查

图1 故障钢球宏观图像

图2 裂纹附近剥落低倍形貌（50×）

裂纹末端区域的背散射形貌如图4所示。图中的白色颗粒为碳化物，分布较均匀；裂纹存在多处分叉，且伴有少量基体剥落。裂纹和剥落与碳化物的分布无明显对应关系。

图3 剥落区放大形貌

图4 裂纹末端放大形貌

1.3 裂纹断口分析

裂纹断口宏观图像如图5所示。裂纹断口表面呈灰黑色，最深处约2.43mm，最浅处约1.09mm，呈两头深、中间浅的“哑铃”状形貌。人为打开区呈灰白色，与裂纹断口存在明显差异。裂纹断口与人为打开区交界处的放大图像如图6所示。从图中可见局部不连续开裂，表明裂纹未发生扩展。

图5 裂纹断口处宏观图像

在扫描电镜下观察，在断口表面可见清晰的放射棱线，根据放射棱线的汇聚方向判断裂纹起始于钢球表面，裂纹起始位置未见明显的冶金缺陷，如图7所示。裂纹断口放大形貌如图8所示。从图中可见明显的沿晶断裂形貌[7-9]，晶面上存在氧化特征，未见承受机械载荷所致的疲劳断裂特征。

图6 裂纹断口与人为打开区交界处放大图像

图7 裂纹起始区形貌

图8 裂纹断口表面沿晶形貌

1.4 材质分析

1.4.1 能谱分析

对故障钢球基体进行能谱分析，其结果见表1。结果表明故障钢球与轴承钢W9Cr4V2Mo的成分基本相符。

表1 故障钢球基体能谱分析结果 wt%

1.4.2 金相组织分析

将故障钢球沿垂直于裂纹方向解剖，制备后的金相试样低倍形貌如图9所示。从图中可见明显的白亮色带状组织。其放大形貌如图10所示。从图中可见，该带状组织为共晶碳化物，碳化物周围存在回火不充分的马氏体，组织中同时存在粗针状马氏体、大块状共晶碳化物和小颗粒状的2次碳化物。

图9 金相试样低倍形貌

图10 带状组织放大形貌

断口处低倍组织形貌如图11所示。从图中未见脱碳现象；但放大观察图11中的圆圈处，发现裂纹有分叉现象，存在与主裂纹不相连的内部裂纹（如图12所示），裂纹刚健有力，尾端尖细，表明该裂纹不是淬火前形成[10]。裂纹扩展均以沿晶为主。

而除了袖子里能放一些小物件外，汉服的胸前也是可以放东西的。古人的着装要求一般都会把上衣掖在中裤或下裳里（就像现代规范的衬衫要塞在裤子里一样）。这样，腰带与交领结合处就形成了一个三角形口袋。只要这个东西不大、不滑、不细、不硬就可以放在里边了。由于是交领右衽，所以拿取物品很是容易。我们现在所说的“怀揣”就是指这个地方。

图11 断口处低倍组织形貌

图12 断口处局部放大形貌

放大观察钢球基体组织，发现晶粒存在粗大现象，且晶粒尺寸不均匀，如图13所示。在扫描电镜下观察，发现晶界上有网状碳化物析出，并与块状共晶碳化物相连接，如图14所示。

图13 组织晶粒粗大形貌

图14 晶界网状碳化物形貌

1.4.3 硬度检测

对故障钢球基体进行硬度测量，结果见表2，硬度值符合设计要求。

表2 故障钢球基体硬度测量结果

2 分析与讨论

通过形貌观察分析可知，故障钢球表面裂纹附近区域剥落的性质为接触疲劳剥落；裂纹断口为沿晶断口，未见承受机械载荷所致的疲劳断裂特征。

沿晶断裂一般是由外界环境介质的作用，或晶界上沉淀脆性沉淀相，或杂质元素在晶界的偏聚，或金属的过热、过烧引起的[11]。

分析金相组织结果可知：故障钢球组织存在粗大的针状马氏体，这是由于热处理时加热温度过高、保温时间过长，导致奥氏体晶粒长大，产生粗大的晶粒，在快速冷却条件下产生的[12]；网状或半网状碳化物沿晶界析出并与块状共晶碳化物相连接，这是由于淬火加热温度过高，碳化物大量溶解，使奥氏体含碳量明显增加，冷却时就在晶界形成网状或半网状碳化物[13]。观察与分析故障钢球金相组织，得出以下结论：故障钢球在淬火过程中出现了过热现象。同时，钢球组织中存在带状碳化物，使贫碳区在热处理过程中过热，从而使钢球在淬火时产生较大变形，易导致淬火裂纹产生[12]。

淬火裂纹是指在淬火过程中或在淬火后的室温放置过程中产生的裂纹，属于宏观裂纹，由宏观内应力引起[14]。在淬火过程中，当淬火产生的应力大于材料本身的强度并超过塑性变形极限时，会产生裂纹。淬火裂纹既可能沿晶开裂，也可能穿晶开裂，呈放射状、单独线条状或网状。一般来说，因为马氏体转变区的冷却过快而引起的淬火裂纹多为穿晶分布，且裂纹较平直，周围没有分枝的小裂纹；因淬火加热温度过高而引起的淬火裂纹多为沿晶分布，裂纹尾端尖细，并呈现过热特征[10]。

综上所述，故障钢球首先发生淬火开裂，在后续工作过程中，钢球在淬火裂纹缺陷的影响以及周期脉动接触应力作用下发生了接触疲劳剥落[15]。

3 总结

（1）钢球表面裂纹为淬火温度过高所导致的淬火裂纹；

（2）故障轴承钢球表面裂纹附近的剥落为滚动接触疲劳剥落；

（3）故障钢球组织中存在带状碳化物，对淬火裂纹的产生有一定的促进作用；

（4）在钢球热处理过程中，应严格控制热处理工艺参数，以保证热处理温度和保温时间的稳定。

[1]陶春虎，钟培道，王仁智，等.航空发动机转动部件的失效与预防[M].北京：国防工业出版社，2000：205-206.TAO Chunhu，ZHONG Peidao，WANG Renzhi，et al.Failure analysis and prevention for rotating parts in aeroengine [M].Beijing：National Defense Industry Press，2000：205-206.（in Chinese）

[2]王红运.钢球缺陷检测系统结构设计及关键技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2006：1-2.Wang Hongyun.Mechanism design and key technique research about steel ball defect checking system [D].Harbin：Harbin University of Science and Technology，2006：1-2.（in Chinese）

[3]陶春虎，习年生，钟培道，等.航空装备失效典型案例分析[M].北京：国防工业出版社，1998：124-129.TAO Chunhu，XI Niansheng，ZHONG Peidao，et al.Analysis of typical failure cases for aeroequip[M].Beijing：National Defense Industry Press，1998：124-129.（in Chinese）

[4]赵传国.滚动轴承失效分析概论[J].轴承，1996（1）：39-40.ZHAO Chuanguo.Summary of rolling bearing failure analysis[J].Bearing，1996（1）：39-40.（in Chinese）

[5]宋海荣，赵爱国，刘元春，等.某发动机轴承失效分析[J].失效分析与预防，2006，1（2）：49-52.SONG Hairong，ZHAO Aiguo，LIU Yuanchun，et al.Failure analysis of a bearing in aeroengine[J].Failure Analysis and Prevention.2006，1（2）：49-52.（in Chinese）

[6]白明远，刘高远，王大为.发动机传动轴齿轮断裂失效分析[J].失效分析与预防.2007，2（3）：37-41.BAI Mingyuan，LIU Gaoyuan，WANG Dawei.Fracture failure analysis of transmission shaft gear of an engine.Failure Analysis and Prevention.2007，2（3）：37-41.（in Chinese）

[7]美国金属学会.金属手册（第9卷）：断口金相与断口图谱（8版）[M].北京：机械工业出版社，1983：109-112.American Society for Metal.Metal handbook（vol.9）-fractography and atlas of fractographs（8th edition）[M].Beijing：Machinery Industry Press，1983：109-112.（in Chinese）

[8]佟文伟.某燃气轮机发动机螺栓断裂失效分析[J].航空发动机，2013，39（4）：67-71.TONG Wenwei.Fracture failure analysis of bolt in a gas turbine engine[J].Aeroengine，2013，39（4）：67-71.（in Chinese）

[9]谭帅，曾西军.游星齿轮轴承失效分析[J].失效分析与预防，2007，2（2）：37-39.TAN Shuai，ZENG Xijun.Failure analysis on bearing of planetary gear[J].Failure Analysis and Prevention，2007，2（2）：37-39.（in Chinese）

[10]百度百科.淬火裂纹[EB/DL].[2012-10-13].http：//baike.baidu.com/view/1691361.html.Baidu Encyclopedia.Quench crack[EB/DL].[2012-10-13].http：//baike.baidu.com/view/1691361.html.

[11]张栋，钟培道，陶春虎，等.失效分析[M].北京：国防工业出版社，2004：149-152.ZHANG Dong，ZHONG Peidao，TAO Chunhu，et al.Failure analysis[M].Beijing：National Defense Industry Press，2004：149-152.（in Chinese）

[12]上海市机械制造工艺研究所.金相分析技术[M].上海：上海科学技术文献出版社，1987：222-225，302-303.Shanghai Research Institute of Machinery Manufacturing Process.Technology of metallographic analysis [M].Shanghai：Shanghai Science and Technology Press，1987：222-225，302-303.（in Chinese）

[13]李维尚.金属材料金相热处理检验方法与技术标准及缺陷金相图谱（第1卷）[M].北京：北方工业出版社，2007：488-491 LI Weishang.Metallographic metal material heat treatment standard and inspection method and technology of metallographic atals（vol.1）[M].Beijing：The Northern Industrial Press，2007：488-491.（in Chinese）

[14]林天辉，潘兰兰，罗喜清，等.微量物证与齿轮裂纹分析[J].科技创业月刊，2013（9）：186-187.LIN Tianhui，PAN Lanlan，LUO Xiqing，et al.Analysis of trace material evidence and gear crack[J].Pioneering with Science and Technology Monthly,2013（9）：186-187.（in Chinese）

[15]张土军，腾旭东，刘志优.发动机齿轮和轴承失效分析[J].失效分析与预防，2011，6（2）：109-114.ZHANG Shijun，TENG Xudong，LIU Zhuyou.Failure analysis of gear and bearing in engine[J].Failure Analysis and Prevention，2011，6（2）：109-114.（in Chinese）