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发表于 2020-4-7 09:50:29 | 显示全部楼层 |阅读模式

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铅黄铜轴承保持架断裂失效分析

■ 齐影,荆卫锋
【中国汽车材料网】摘要:铅黄铜轴承保持架在运行30万km后出现裂纹或断裂,对失效及未失效保持架从化学成分、断口显微形貌分析、在裂纹源位置制备了金相样品和透射电镜样品、扫描电镜显微组织形貌和透射电镜对晶界相界的析出相观察等方面进行了相关对比分析,结果表明:该断裂属于脆性疲劳断裂,保持架中铅相的偏聚及组织内部位错密度较高,都会降低材料的缺口敏感性,在应力集中处,萌生疲劳源,同时由于铸造缺陷的存在,在交变应力作用下有利于裂纹的扩展,最终造成断裂。
关键词:铅黄铜;偏聚;位错;交变应力;失效分析

轴承是机械设备中的重要零部件,主要功能是支撑旋转体,降低运动过程中的摩擦系数,轴承主要由内圈、外圈、滚动体、保持架四大件构成,保持架的主要作用是将滚动体均匀隔开,引导滚动体在正确的轨道上运动,改善轴承内部载荷分配和润滑性能,保持架出现裂纹或断裂将直接导致轴承的失效。某轴承设计寿命为100万km以上,而实际在运行30万km左右,出现部分轴承失效,拆解后发现均是轴承保持架出现裂纹或断裂,如图1所示。

保持架的制造工艺为:铸造毛坯→热处理→机械加工。为了分析保持架失效原因,对失效保持架及未失效保持架进行了相关对比分析测试,主要包括化学成分分析、宏观观察,对裂纹处进行解剖、清洗处理和断口显微形貌分析,在裂纹源位置制备金相样品和透射样品,分析了金相组织、扫描电镜显微组织形貌和透射电镜对晶界相界的析出相观察,通过氨熏试验,判断开裂是否和内部存在宏观残余应力及加工应力有关,找出轴承保持架的失效原因。


1. 试验过程及结果

(1)化学成分 采用光谱分析仪对失效件及对比件进行检测分析,结果如表1所示。

其成分均满足EN1982的要求,失效件的杂质元素含量略高于对比件。

(2)力学性能 按照GB/T228.1—2010规定方法,使用检测仪器Zwick/100对失效件、对比件进行分析,在保持架本体取样如图2所示,每套保持架检测两个试样取平均值,按照φ3mm、φ4mm、φ5mm取样,经过对比分析,其中φ3mm试样受加工精度及试棒的装夹方式影响较大,检测结果相对较为分散,φ4mm、φ5mm试棒的检测结果一致性较好,取φ5mm试棒进行检测,结果如表2所示。检测结果符合标准EN1982要求,失效件的强度略高于对比件,对比件的塑性略好于失效件。

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图1 轴承保持架外观形貌

表1 化学成分检测结果(质量分数) (%)
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图2 拉力试棒取样

(3)金相组织 按照 YS/T449—2002《铜及铜合金铸造和加工制品微观组织检验方法》规定,采用200 MAT金相显微镜对铅黄铜试样的纵截面制样侵蚀后进行显微组织观察,如图3所示。从金相照片可以看出,铅黄铜显微组织均为α+β+Pb相,黑色质点为铅相,晶粒的形态有柱状晶和等轴晶两种,失效件与对比件的晶粒形态、大小差别不大,而失效件的铅相分布出现偏聚并呈网状分布,并且还出现大块的游离铅相,如图3a所示。而对比件铅相分布呈弥散状态,组织均匀,一致性好,如图3b所示。

(4)断口扫描电镜 采用JSM-6510扫描电子显微镜,保持架上共切割了7个断口,对其采用酒精超声波清洗,清洗干净的断口放到电子显微镜下进行观察,在断口裂纹源处,发现有疏松、夹渣、气孔等缺陷,如图4a、4b所示。裂纹源在近表面的位置,以气孔夹渣为起点,向材料内部扩展,因此可以推断疏松、夹杂和气孔等铸造缺陷是保持架断裂裂纹源,并且在断口的其他位置也发现了气孔和夹杂。由断口观察可知,该合金脆性相比较多,断口表面普遍存在穿晶解理小台阶,如图4c所示,这是脆性材料断口上常出现的一种显微形貌。在裂纹的扩展区,可见清晰的疲劳辉纹,如图4d所示,这是疲劳断口的典型特征,该断裂方式为脆性疲劳断裂。

表2 力学性能检测结果
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图3 保持架金相组织(200×)

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图4 断口扫描电镜图像

(5)显微硬度 对抛光态失效件和对比件两保持架进行显微硬度检测,结果如表3所示。

表3 失效件和对比件不同相的显微硬度 (HV0.05)
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无论是β相还是α相,都是失效件的硬度偏高。硬度高,对缺口的敏感性就强,易于裂纹的萌生和扩展,容易发生脆性断裂。失效件硬度偏高的现象,其一可能是由铸造和热处理工艺差异引起的;其二可能是由于失效件中有细小硬质相析出;其三可能与固溶的杂质原子较多有关,这可进行透射电镜分析,观察β相、α相和晶界处有无析出相,同时两者的间隙原子成分含量有可能不同。

(6)透射电镜 为观察该合金中β相、α相和晶界处是否存在析出相,将失效件和对比件进行透射电子显微分析,图5a、图5b分别为失效轴承架β相、α相的衍射斑点、图5c、5d为其明场相,图6a、图6b分别为完好轴承架β相、α相的衍射斑点、图6c、6d为其明场相。

由上述分析可知,在失效件和对比件中的相内和晶界处均未发现析出沉淀相,但从位错密度上看,失效件位错密度明显高于对比件,可以说明失效件的显微硬度偏高,不是析出相的原因,而是位错密度高的原因造成的。

7)氨熏试验 为了判断保持架开裂是否和内部存在宏观残余应力及加工应力有关,对失效件和对比件进行同比氨熏试验,对氨熏试验前后的样品进行观察,分析是否存在裂纹增多的情况。

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图5 失效保持架透射电子显微镜图像

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图6 对比件保持架透射电子显微镜图像

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图7 氨熏试验结果对比

铅黄铜制品易发生应力腐蚀破裂,这是由于金属在腐蚀环境和内在残余应力或外加应力的共同作用下产生破裂现象。为确定合金的表面宏观应力情况,选取一件失效件和对比件同时进行氨熏试验,试验前后的结果对比如图7所示。图7a为失效件氨熏试验前表面状态,图7b为失效件氨熏试验后表面状态,图7c为对比件氨熏试验前表面状态,图7d为对比件氨熏试验后表面状态。

肉眼观察可知,失效件经氨熏试验后发现其裂纹并未扩展,除裂纹处更加明显外,并未产生新的宏观裂纹;对比件在氨熏试验后也出现了裂纹,裂纹出现在相应的应力集中区,说明对比件的表面也存在着宏观残余应力,该应力应是使用过程中受冲击产生的表面应力,并非是轴承架的热处理制度不当形成的宏观内应力导致的氨熏裂纹。


2. 试验结果分析与讨论

1)从化学成分上看,失效件和对比件的化学成分均符合BSEN1982—2008《铜和铜合金 铸锭和铸件》中的CuZn39PbAl-C标准要求,因此其材质是合格的,不是引发失效断裂的原因,但是失效件的杂质元素高于对比件的含量。

2)从力学性能的检测结果分析,两者相差不大,失效件的强度略高于对比件。

3)断口扫描电镜分析:发现裂纹源产生于疏松、夹杂铸造缺陷处。这说明铸造缺陷降低了合金的局部力学性能,在冲击应力的作用下,容易萌生裂纹,产生开裂。另外,对裂纹的扩展区进行了观察,发现在每个断口上均可见清晰的解理台阶和疲劳辉纹,可知该断裂属于脆性疲劳断裂。

4)从金相显微组织上看,失效件与对比件的晶粒形态、大小差别不大,而失效件铅相的分布出现偏聚并且还出现大块的游离铅相,而对比件铅相分布较为弥散。

5)从显微硬度、透射电镜分析上看,失效件的显微硬度较高,对缺口的敏感性较低,利于裂纹的萌生和扩展。由透射电子显微分析可知,失效件和对比件中均未发现硬质析出相,仅发现失效件中的位错密度较对比件密度大,因此可以明确,失效件硬度高与位错运动受间隙原子钉扎有关。

[size=1em]综上分析可知,轴承保持架运行过程中承受冲击载荷的作用,由于自身结构的影响,在保持架兜孔凹槽处存在应力集中,保持架铅相的偏聚及保持架中位错密度较高,都会降低材料的缺口敏感性,在凹槽处萌生裂纹源,同时由于铸造缺陷的存在,在交变应力作用下导致疲劳裂纹的扩展以及最终的断裂。

3. 结语

(1)铅黄铜的化学成分及力学性能均符合要求。

(2)铸造缺陷不是保持架断裂的主要原因。

(3)保持架内部不存在由于热处理而导致的宏观内应力。

(4)保持架中铅相的偏聚及内部位错密度高是断裂的直接原因。



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