通风除尘电机轴承内套热损伤疲劳断裂分析

庞兆夫，李文竹，隋小红，杨　静

(鞍钢技术中心，鞍山  114001)

摘　要：某炼钢厂LF炉外精炼炉通风除尘电机轴承内套在运行过程中发生断裂，断裂源位于轴承内表面。用光学显微镜和扫描电镜对断裂件进行宏、微观检验。结果表明，电机轴承内套是由于润滑失效产生的热损伤疲劳断裂。

关键词：电机；轴承内套；热损伤；疲劳断裂

1　引言

两个接触表面进行滚动或滚滑复合摩擦时，在循环压力作用下易产生接触疲劳破坏。通常破坏类型分为两大类，即断裂产生于表面的疲劳麻点剥落和裂纹产生于层下的表层压碎剥落，两者是与材料特性、应力分布状态和载荷的大小有关的，只有组织变形，而无相的转变。但在实际使用中也经常发现滚动摩擦的失效件既有组织变形，也有相变的发生。相变是由于摩擦热作用的结果，由于摩擦热过高而引起工件的破坏，称之为热损伤破坏失效。

笔者在对某炼钢厂LF炉外精炼炉通风除尘电机断裂轴承内套进行失效分析时，根据轴承内表面磨损情况，从断口宏、微观形貌、显微组织结构和实际奥氏体晶粒尺寸变化规律，判定内套是由于热损伤而产生的疲劳断裂。轴承内套是采用GCr15SiMn高碳高铬轴承钢，经锻造和机加工后再经正火处理获得细珠光体组织。

2　检验结果

2.1　失效件的宏观形貌

断裂内套内表面发生严重的咬轴磨损现象，形成“拉毛”表面，见图1。整个断口上呈现不同的氧化色，有两个断裂源，并都起源于内表面，瞬断区面积仅为断口总面积的1/4。图2为整个断口的全貌。

  图1　轴承内套内表面磨损形貌　0.7×                      图2　轴承内套断口形貌　0.7×

2.2　断口的微观形貌

将断口清洗后在QUANTA400扫描电镜下观察，断裂源起于内表面并呈解理特征。靠近表面断口具有二次疲劳特征，扩展区可以观察到疲劳条带，瞬断区为准解理和沿晶混合断口。断口的微观形貌见图3。

  (a)　表面与近表面断口形貌                          (b)　表面断裂源的微观特征

图3　断口的微观形貌

2.3　显微组织

将整个断口面轻轻打磨抛光后在PMG3光学显微镜下观察，内表面有一层带有孔洞的缺陷层，见图4。用4%硝酸酒精溶液侵蚀后观察，发现整个内套组织结构呈梯度变化，内表面有0.8mm厚的过烧层，其组织为珠光体+网状铁素体+魏氏渗碳体，见图5；接着是粗大的珠光体+网状铁素体，从距内表面6mm起至外表面为细珠光体，珠光体团大小均匀。图6是失效件断裂源区、扩展区和瞬断区实际奥氏体晶粒度尺寸分布图。金相检验表明失效件内表面受到较高温度的影响，在其表面产生过烧组织，奥氏体晶粒粗大，而且形成了熔化孔洞。

图4　抛光态内表层形貌　35×                            图5　内表层过烧组织　100×

图6　失效件实际奥氏体晶粒尺寸分布图

3　讨论

3.1　热损伤的形成

电机转子在运转中与轴承内套之间处于接触摩擦状态，内套可作为摩擦副。在非正常情况下，例如润滑失效、装配与维护不当和轴套间相互接触并相对滑动时都会产生大量的摩擦热。同时，在接触压力的综合作用下，致使轴承内套表面层发生十分强烈的理化现象，直接影响到内套的运转状态。随着摩擦热的升高，强度下降。当该部位的温度达到钢的相变温度时，该区域的组织就会发生相变，如果摩擦热温度继续上升，甚至接近材料的熔点，就会形成过烧组织，而且在亚表层内形成液化裂纹，即热损伤疲劳源。

电机轴承内套的材质属于过共析钢，而过共析钢在温度过高时会出现粗大针状渗碳体的魏氏组织[3]。金相检验结果证实了内套曾受到相当高的摩擦热作用，表层已形成过烧组织，近表层是过热组织，随后为正火和回火组织。过热组织的产生导致材料强韧性的大幅度下降，过烧组织的形成更加恶化了材料的性能，而且是不可逆的热损伤组织缺陷。

3.2　裂纹的扩展及断裂机制

内套断裂分为三个阶段：第一阶段是由于摩擦热的作用，造成接触表面的热损伤，形成了“拉毛”磨损表面，而且在亚表层形成了液化裂纹。第二阶段是内套在摩擦热影响下产生自由膨胀应力梯度，造成内套承受压-拉低周频率应力反复作用。此时，在过烧层中的液化裂纹尖端产生应力集中，当应力增加到超过金属局部内聚力时，引起原子间的键断裂，于是就以解理方式发生疲劳裂纹的扩展，见图3。当裂纹继续扩展导致基体金属抵抗不住由于压-拉低周频率的应力强度时，就发生瞬间断裂，即第三阶段。瞬间断裂面积比较小。

由于摩擦热作用使其表面形成一个多层的受热层，形成温度梯度。该受热层之间的热膨胀有差异且又相互制约，同时又均受到基体的约束，形成应力梯度，在受热层内产生周向压应力。随着受热层温度升高，强度随之降低，温度进一步升高，受热层普遍屈服，从而使受热层的周向压应力松弛，而当受热层温度下降，即在受热层内产生了周向拉应力。因此轴承内套在使用中受反复热冷交替影响，必然形成一个低周应变疲劳过程，最终导致疲劳断裂失效。

4　结论及建议

内套断裂是由于受摩擦热作用产生热损伤，致使在运行过程中发生热损伤疲劳断裂。其断裂机理可用自由热膨胀约束机制加以解释。

建议使用单位加强轴承内套的维护与保养，定期注油，防止事故的重复发生。