某桿端自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承斷裂原因分析

(1. 上海市軸承技術(shù)研究所, 上海 201801；2. 陸軍航空兵軍事代表局駐上海地區(qū)軍事代表室， 上海 200233；3. 上海軌道交通檢測(cè)技術(shù)有限公司 鑄鍛熱檢測(cè)中心， 上海 200434)

桿端自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承是多方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中不可缺少的支撐部件和連接部件，其由帶有螺紋的桿體、軸承內(nèi)圈、外圈和內(nèi)外圈間的自潤(rùn)滑材料組成，可以承受徑向載荷和軸向載荷，實(shí)現(xiàn)高頻率下多方向的往復(fù)(調(diào)心和圍繞軸心線的擺動(dòng))運(yùn)動(dòng)，其螺紋主要用于安裝與固定[1]。在應(yīng)用中，桿端的測(cè)滑關(guān)節(jié)軸承的失效形式主要是磨損,而螺紋的斷裂是不常見，因此有必要對(duì)螺紋斷裂的桿端自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)進(jìn)行失效分析。

某桿端自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承桿體的主要加工工藝為：備料→鍛造→鍛造后熱處理→粗車加工→熱處理→精車加工→外螺紋冷滾壓成形、銑槽。該桿端自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承在拉壓循環(huán)載荷疲勞試驗(yàn)中(試驗(yàn)示意圖如圖1所示)，在第101 763次拉壓后軸承桿體螺紋部位發(fā)生斷裂，斷裂部位如圖2所示，原設(shè)計(jì)壽命為50萬次。失效零件主要的外形尺寸：桿端體總長(zhǎng)91 mm，螺紋長(zhǎng)42 mm，螺紋為MJ12×1.25 mm。試驗(yàn)載荷(3 000±9 600) N；載荷變化頻率為3 Hz，水平方向反復(fù)加載。桿體材料為05Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化型不銹鋼，其具有較高的強(qiáng)度、硬度和耐腐蝕能力，對(duì)大氣及稀釋酸或鹽都具備良好的耐腐蝕能力，廣泛應(yīng)用于船舶、航天、航空、核電等領(lǐng)域。

圖1 桿端疲勞試驗(yàn)示意圖Fig.1 Structure diagram of fatigue test at rod end

圖2 斷裂桿體宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fractured rod

1 理化檢驗(yàn)

1.1 斷口分析

1.1.1 斷口宏觀分析

斷裂發(fā)生在桿端自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承桿體螺紋部位，圖3為斷口的宏觀形貌。可見斷裂發(fā)生在桿體螺紋根部，裂紋起始于斷面槽口右側(cè)邊緣尖角處，向左上部分?jǐn)U展，擴(kuò)展區(qū)約占整個(gè)斷面的90%(面積分?jǐn)?shù))，斷面大部分平整，無明顯的塑性變形。而左側(cè)斜向分布有狹帶，并伴有變形拉裂，該區(qū)域?yàn)榻K斷區(qū)。

1.1.2 斷口微觀分析

采用掃描電鏡(SEM)對(duì)斷口的起始區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、終斷區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步的形貌分析。圖4 a)和b)分別為斷口起始區(qū)的低倍、高倍形貌，可見斷口起始區(qū)平坦，未發(fā)現(xiàn)有大顆粒夾雜、氧化等缺陷。圖4 c)和d)為斷口擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌，圖4 c)可見有典型明暗相間的疲勞輝紋沿著斷口裂紋的發(fā)展方向平行分布，具有典型的疲勞特征，這是在循環(huán)試驗(yàn)載荷下形成的；圖4 d)可見斷口上平行分布著二次裂紋。

圖3 斷口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of fracture: a) the side; b) the front

圖4 斷口微觀形貌Fig.4 Micro morphology of fracture:a) the low magnification morphology of fracture source region; b) the high magnification morphology of fracture source region; c) morphology of fatigue striation of crack propagation region; d) morphology of secondary cracks parallel to fracture; e) the low magnification morphology of final fracture region; f) the high magnification morphology of final fracture region

圖4 e)和f)為斷口終斷區(qū)的低倍、高倍形貌，可見此區(qū)域狹窄，且存在塑性變形，因裂紋不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致桿體連接面積小，剩余連接位置承受應(yīng)力增大而產(chǎn)生變形斷裂，斷口終斷區(qū)在高倍下可見韌窩形貌。

1.3 化學(xué)成分分析

按照GB/T 11170—2008《不銹鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》、GB/T 20123—2006《鋼鐵 總碳硫含量的測(cè)定 高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法(常規(guī)方法)》對(duì)斷裂桿體進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1?？梢姅嗔褩U體符合GB/T 1220—2007 《不銹鋼棒》對(duì)05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼的成分要求[2]。

表1 斷裂桿體的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the fractured rod (mass fraction) %

1.4 金相檢驗(yàn)及硬度測(cè)試

桿體熱處理工藝為：桿體固溶處理溫度1 040 ℃+時(shí)效溫度560 ℃。經(jīng)復(fù)查，斷裂桿體的熱處理工藝及過程符合工藝規(guī)范技術(shù)要求。采用金相顯微鏡和洛氏硬度計(jì)對(duì)斷裂桿體進(jìn)行金相檢驗(yàn)和硬度檢測(cè)。圖5為斷裂桿體的顯微組織形貌，可見斷裂桿體的顯微組織均勻，為索氏體+彌散分布析出相。硬度測(cè)試結(jié)果為37.2 HRC，符合設(shè)計(jì)硬度36～39 HRC的技術(shù)要求。

圖5 斷裂桿體的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of the fractured rod

2 分析與討論

上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可初步判定該桿端自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的斷裂形式為疲勞斷裂。疲勞斷裂對(duì)表面缺陷非常敏感[3]，斷口的裂紋起始點(diǎn)也是在邊緣。通過掃描電鏡對(duì)斷裂桿體不同部位的螺紋表面進(jìn)行觀察，可見其上分布有裂紋和表面缺陷。

圖6為斷裂桿體螺紋根部的形貌，圖6 a)為未斷裂處螺紋根部的形貌，可見螺紋外表面有周向分布的痕跡，部分呈細(xì)溝狀，在拉應(yīng)力下因應(yīng)力集中而引發(fā)不同程度的開裂；圖6 b)為近斷口起始區(qū)外表形貌，斷口附近可見類似的裂紋分布。

圖6 螺紋根部微觀形貌Fig.6 Micro morphology of thread root:a) unfractured thread root;b) external surface near fracture source region

對(duì)周向分布的裂紋進(jìn)行縱向切割制樣，采用金相顯微鏡觀察裂紋在縱截面上的分布情況，如圖7所示。可見螺紋表面、根部有滾壓成形工藝帶來的纖維狀金屬流線，其顯微組織正常。螺紋根部存在不同擴(kuò)展趨勢(shì)的裂紋，裂紋呈折向分布，尾段分叉，表現(xiàn)出應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。裂紋從螺紋根部向桿體內(nèi)部擴(kuò)展，部分螺紋根部的裂紋深度達(dá)0.25～0.45 mm，裂紋邊緣未見氧化、脫碳等現(xiàn)象。

圖7 螺紋根部裂紋分布形貌Fig.7 Distribution morphology of cracks at thread root:a) distribution morphology of cracks;b) morphology of crack tail bifurcation

由以上分析可知，斷裂桿體的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，其顯微組織正常，無明顯偏析、夾雜等缺陷，硬度也在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。桿體斷口有明顯的裂紋起始區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和終斷區(qū)，存在疲勞輝紋和韌窩，桿體整體表現(xiàn)為疲勞斷裂；在同一零件未斷裂的螺紋根部表面可見周向分布的痕跡，部分呈細(xì)溝狀，呈現(xiàn)不同程度的開裂，裂紋向桿體內(nèi)部延伸擴(kuò)展。

因此排除了桿體原材料成分和組織不符合標(biāo)準(zhǔn)而導(dǎo)致的開裂。斷口和裂紋邊緣未見氧化、脫碳等現(xiàn)象，結(jié)合桿體加工工藝，說明裂紋的萌生和擴(kuò)展發(fā)生在熱處理工藝之后。在外螺紋的最終加工工藝?yán)錆L壓成形工藝中，螺紋(尤其是根部)表面受到了周向細(xì)溝狀損傷。螺紋底部較螺紋頂部等部位來說，其截面小應(yīng)力大，對(duì)于缺陷的敏感度更高，且細(xì)痕引起附加的應(yīng)力集中，引發(fā)了疲勞開裂，在循環(huán)的疲勞試驗(yàn)載荷下，裂紋向桿體內(nèi)部不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致了桿體的斷裂[4-6]。

3 結(jié)論及建議

桿端自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承桿體的斷裂是由于螺紋在冷滾壓成形工藝中，表面受到周向細(xì)溝狀損傷而引發(fā)疲勞開裂，在應(yīng)力最大處發(fā)生斷裂。

建議在外螺紋的冷滾壓成形工藝中，提高螺紋的表面加工質(zhì)量，減少表面缺陷。另外在零件的壽命設(shè)計(jì)時(shí)考慮加工制造工藝可能造成的附加應(yīng)力集中因素，以提高零件的疲勞可靠性[7]。