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鋼的磨損失效分析

嘉峪檢測網(wǎng)        2018-11-10 22:47

1 鋼的磨損失效分析

 

 

機器運轉時,任何構件在接觸狀態(tài)下相對運動時(滑動、滾動或滑動+滾動),都會產(chǎn)生摩擦,而磨損總是與摩擦相伴。磨損存在材料損失或遷移,并需要一定的時間。機械零部件因過度磨損失去原有設計所規(guī)定的功能時稱為磨損失效。磨損與構件的大小無關,磨損失效需要一個量變到質變的轉化過程。

 

鋼的磨損失效分析是通過對磨損零件殘體等的分析,判明磨損類型,揭示磨損機理,追溯磨損發(fā)生、發(fā)展并導致工件磨損失效的整個過程,是一個從結果到原因的逆向分析過程,如圖1所示。

鋼的磨損失效分析

圖1 鋼的磨損失效分析流程

 

2 磨損失效分類

 

BURWELL于1957年按照磨損的破裂機理,將磨損分類如下:

 

① 黏著磨損;

② 磨粒磨損;

③ 疲勞磨損(或稱接觸疲勞);

④ 腐蝕磨損(或稱微動磨損)。

 

實際失效分析中往往是多種磨損形式同時存在,但一般有一種磨損形式是主要的。磨損往往會導致開裂,如磨削開裂、疲勞磨損、微動磨損等。

 

3 磨損失效特征

 

(1)黏著磨損主要特征為:

①凸起和轉移處有相對撕脫,接觸面比較粗糙,具有延性破壞凹坑特征,宏觀或微觀形貌可觀察到黏著痕跡,且存在高溫氧化色,見圖2a);

②剖面金相可見冷焊和組織變形,見圖2b);

③ 能譜(EDS)分析時存在對磨材料的遷移。

鋼的磨損失效分析

圖2 磨損特征形貌

 

(2)磨粒磨損主要特征為:在接觸面上有顯著的磨削痕跡,有時也被稱為犁溝,見圖2c)。

(3)疲勞磨損(或稱接觸疲勞)主要特征為:存在麻點剝落,接觸表面出現(xiàn)各種封閉式微裂紋和微斷裂,表面磨屑脫落后表面形成豆狀坑,或稱“鱗狀”脫落。

(4)腐蝕磨損(或稱微動磨損)主要特征為:各種金屬表面的腐蝕痕跡特征不同,如鐵基金屬的微動磨損產(chǎn)物為棕紅色粉末,鋁和鋁合金的微動磨損產(chǎn)物為黑色粉末,銅、鎂、鎳等金屬的微動磨產(chǎn)物多為黑色氧化物粉末。

 

4 磨損失效診斷舉例:

軸承疲勞磨損失效分析

 

(1)宏觀分析

 

地鐵列車上的軸箱軸承在使用一段時間后出現(xiàn)異常聲響。

 

對失效軸承拆解后發(fā)現(xiàn):軸承T端內(nèi)部的滾珠呈銀亮色;W端的軸承滾珠呈淡黃色,且該端的軸承外圈內(nèi)壁表面存在淡黃色的油脂和一處沿軸向分布的損傷帶。兩端的軸承蓋形狀不同,內(nèi)部充油量也不同:W端軸承蓋內(nèi)的油脂大致占到一半,油脂顏色泛青;T端軸承蓋內(nèi)充滿了油脂,油脂顏色泛黃。

 

將軸承外圈充分清洗后肉眼觀察,宏觀上存在3種特征:

①存在鼓包和顯微裂紋;

②存在淺而光滑的壓痕;

③存在肉眼明顯可見的周向損傷帶,見圖3。

鋼的磨損失效分析

圖3 軸承外圈內(nèi)表面損傷帶形貌

 

 (2)理化檢驗

軸承外圈和滾珠化學成分均符合GB/T 18254-2016《高碳鉻軸承鋼》對GCr15鋼的技術要求;晶粒度為9.0級,非金屬夾雜物評定結果為A0.5,Ae0.5,B0,C0,D0.5;外圈硬度為57.5~59.0HRC,滾珠硬度為62.5~63.0HRC;潤滑油脂中檢測到尺寸約150μm×100μm的金屬磨屑。從損傷帶區(qū)域切取剖面試樣,經(jīng)鑲嵌、磨拋和化學侵蝕后在光學顯微鏡下觀察,結果見圖4??梢娫搮^(qū)域的次表面存在與原始表面大致平行的微裂紋,同時存在從該微裂紋中萌生的向表面擴展的更細小的微裂紋,見圖4a),c);根據(jù)微裂紋的相對寬度判斷次表面的與表面大致平行的微裂紋為首先產(chǎn)生,然后向表面擴展,結果產(chǎn)生凹坑,見圖4b);凹坑底部由于反復的接觸撞擊產(chǎn)生較高溫度,出現(xiàn)了組織變質層,見圖4d);心部正常顯微組織為回火馬氏體+碳化物+殘余奧氏體,見圖4e)。

鋼的磨損失效分析

圖4 軸承外圈微裂紋及顯微組織形貌

 

(3)受力分析

對軸承服役過程進行有限元數(shù)字模擬,結果顯示滾珠和外圈接觸點的前方為壓應力狀態(tài),其后方和次表面為拉應力狀態(tài),見圖5a)。

當摩擦材料表面的微體積受到一定的接觸循環(huán)交變應力的作用時,在次表面將萌生微裂紋,然后裂紋逐漸擴展到表面,導致表面產(chǎn)生片狀或顆粒狀磨屑,這就是疲勞磨損過程。

在接觸過程中,較軟表面的微凸體變形(外圈),形成較平滑的表面,于是轉變成微凸體-平面接觸;當較硬表面的微凸體(滾珠)在其上犁削時,軟表面受到循環(huán)載荷的作用;硬的微凸體的摩擦導致軟表面產(chǎn)生切向塑性變形,隨著循環(huán)載荷作用的增加,變形逐漸累積;隨著軟表面變形的增加,在表面下面裂紋開始形核,非??拷砻娴牧鸭y受到接觸區(qū)下的三軸壓應力的阻擋;進一步的循環(huán)載荷則促進生成平行于表面的裂紋,見圖5b);當裂紋最終擴展到表面時,薄的磨損片分層剝落而形成片狀磨屑,最終形成凹陷的損傷帶。

鋼的磨損失效分析

 

(4)失效診斷

W端內(nèi)圈外表面顏色呈淡黃色,T端呈銀亮色,說明W端工作過程中經(jīng)歷過較高的溫度;W端外圈內(nèi)表面鼓泡處靠近中間部位,該部位存在周向亮帶,說明該部位磨損程度相對較嚴重。從拆解后油脂的分布情況來看,W端的軸承蓋中一半充滿了油脂,一半幾乎沒有油脂;而T端的軸承蓋中充滿了油脂。

軸承的工作面為斜面,滾珠滾動時會將潤滑油脂擠向一側,油脂一旦進入軸承蓋,就很難再返回到滾道部分,這將會造成實際潤滑油脂減少,其中遠離軸承蓋的部分減少量最多,因而該區(qū)域潤滑效果降低,摩擦阻力增大,溫度上升,工作表面變色,嚴重時可造成工作面損傷。軸承外圈內(nèi)表面的損傷帶與其附近的鼓泡缺陷性質相同,均為疲勞磨損,鼓泡為早期階段形貌特征。

 

(5)診斷結果

軸箱軸承工作中出現(xiàn)異常聲響是由于其外圈內(nèi)表面出現(xiàn)了帶狀凹陷損傷,破壞了軸承工作的平穩(wěn)性,從而產(chǎn)生異常聲音;該帶狀凹陷損傷性質為疲勞磨損,其產(chǎn)生主要與該部位潤滑油脂減少有關。

 

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來源:AnyTesting

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