20CrMo汽车轴承断裂失效分析_丁晨

材料热处理技术

Material&Heat Treatment 下半月出版

1几何形状及其技术条件要求

该汽车轴承规格为20CrMo，根据美国标准

SAE8620引进，主要应用于汽车轴承，具有淬透性

带窄、纯净度高、晶粒细小均匀、表面质量优等优点，

能够满足高性能汽车齿轮轴承的需要[1]。采用国标[2]

作为疲劳强度试验方法，具体生产过程为：从圆棒上

落料后进行墩粗再模锻成三叉头，然后进行机加工，

最后进行渗碳淬火。

该汽车轴承为一圆形中空件，其外壁有3个叉

头，内壁均匀分布有齿状突起，一般称为“键”，其宏

观形貌如图1所示。

2实验方法

用钻床钻取轴承碎屑，使用化学分析法测定该轴承C、Si、Mn、P、S元素的质量分数。使用Leica 6000M金相显微镜和Hitachi Su-70扫描电镜对断口表面及轴承横截面进行观察，并对一些微区进行了成分定性分析。3实验结果

3.1断口特征

使用丙酮清洗断口表面后进行宏观观察。断口边缘部分存在宽度为0.7～0.9mm的平缓区域，表面存在明显的放射纹路和木头状解理形貌，如图2所示。

3.2化学成分

该汽车轴承化学成分分析结果符合20CrMo材料标准规定，如表1所示。

3.3金相组织分析和夹杂物评级

截取轴承横截面试样，经切割、镶嵌、研磨、抛光

20CrMo汽车轴承断裂失效分析

丁晨,王军艺,刘俊亮

(宝山钢铁股份研究院分析测试研究中心,上海201900)

摘要：某20CrMo汽车轴承在疲劳检测试验中未达到使用标准就发生了断裂，通过对该失效轴承的化学成分检测、断口宏观观察，并应用光学显微技术和扫描电镜显微技术对汽车轴承疲劳断口进行观察和分析。结果表明，该轴承倒角表面质量不佳以及夹杂物过多是导致轴承断裂的直接原因。

关键词：汽车轴承；断裂失效；疲劳检测

中图分类号：TG115.5+7文献标识码：A文章编号：1001-3814(2011)14-0197-03 Analysis on Fracture Failure of20CrMo Automotive Bearing

DING Chen,WANG Junyi,LIU Junliang

(Testing Center,Baosteel Research Institute,Shanghai201900,China)

Abstract：The20CrMo automotive bearing was fractured during fatigue testing without matching the requirements of the standard.The fracture of the bearing was alalyzed by chemical composition,fracture morphology,metallography and SEM. The result indicates that the chamfer angle and the inclusion are the main reason for the fatigue fracture.

Key words：automotive bearing;fracture failure;fatigue test

收稿日期:2010-12-30

作者简介:丁晨(1984-),男,安徽宣城人,工程师,硕士,主要研究方向为材料检测技术;电话:021-********;

E-mail:dingchen@https://www.360docs.net/doc/9b8515185.html,

图1汽车轴承断裂件宏观形貌

Fig.1Macro-morphology of the automotive bearing

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《热加工工艺》2011年第40卷第14期

Hot Working Technology 2011,Vol.40,No.14

材料热处理技术Material &Heat Treatment 2011年7月

后，置于显微镜下观察。在轴承内壁键处发现存在长度从727μm 到963μm 不等的裂纹，裂纹起源于轴承齿根位置，如图3(a)所示；在高倍金相显微形貌下发现轴承内壁边缘存在沿晶氧化现象，且裂纹起源于弱化晶界，如图3(b)所示；在轴承横截面靠近倒角的位置发现条状MnS 夹杂，如图3(c)所示；使用4%硝酸酒精侵蚀轴承横截面，用酒精冲洗样品表面并用热风吹干，可见横截面金相组织为马氏体和残余奥氏体，裂纹以沿晶走向为主，如图3(d)所示。

根据国标[3]对轴承横截面进行夹杂物评级，评定为A 类粗系2级，可见其MnS 夹杂物含量较高。

3.4电子显微分析

使用Su-70热场发射扫描电镜观察断口表面显微形貌。断口边缘平缓区为典型的晶间断裂冰糖

图2断口表面宏观形貌

Fig.2Macro-morphology of the fracture surface

表1轴承化学成分(质量分数，%)

Tab.1Chemical composition of the bearing (wt,%)

元素

C Si Mn Cr Ni

标准值0.17~0.230.2~0.40.6~0.90.35~0.650.65~0.750.15~0.25实测值

0.190.33

0.77

0.63

0.66

0.23

10μm

20μm

(a)裂纹显微形貌(a)裂纹显微形貌

(b)沿晶氧化现象

(c)倒角处的MnS 夹杂

(d)金相显微形貌

图3轴承横截面抛光态裂纹显微形貌，沿晶氧化现象，倒角处的MnS 夹杂及金相显微形貌

Fig.3Crack morphology (a),intergranular oxidation (b),MnS inclusions (c)and metallographic (d)of the

polished bearing cross-section

状断口，如图4(a)所示；放射区显微形貌由延伸韧窝组成，在延伸韧窝上还发现大量的条状MnS 夹杂，如图4(b)所示；在断口表面发现有沿齿根断裂的二次开裂区域，显微形貌呈等轴剪切韧窝，且二次开裂区域附近的轴承内表面上有较深的加工痕迹，如图4(c)所示。

4分析和讨论

材料的化学成分分析表明，轴承中C 、Si 、Mn 、

Cr 、Ni 和Mo 元素含量正常。轴承断口表面呈木纹

状解理，放射区呈延伸韧窝形貌，在延伸韧窝中存在

大量条状MnS 夹杂。金相显微形貌和夹杂物评级同样证明该轴承含有条状MnS 夹杂。

在轴承截面上发现的裂纹两侧无任何氧化、脱碳现象，裂纹均位于轴承的齿根位置，表明裂纹优先起源于应力集中处。样品内壁齿状突起应为车刀切削加工而成，内壁表面质量不佳，可见明显刀痕，可能为加工时或加工后产生裂纹，这种加工缺陷可能影响齿轮的疲劳寿命[4]，在齿轮与内壁基体结合部位形成缺口效应，可以导致应力集中[5]。

扫描电镜观察结果表明，裂纹起源于轴承齿根边缘的晶界部位并沿晶界向内延伸。裂纹不是萌生

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材料热处理技术

Material&Heat Treatment

下半月出版

(上接第196页)短路熔痕不是一次熔痕，铜导线上的过热熔痕是一次熔痕，是引起火灾的直接原因。这种过热熔痕既不是由外界火焰高温引起的，也不是短路电流高温引起的，而是由过载电流引起的，是经历了一段时间逐渐形成的。它由再结晶区、粗晶粒区和细晶粒区组成，粗晶粒区经历了熔化缓慢冷却结晶的过程，细晶粒区经历了熔化快速冷却结晶的过程，粗晶粒区和细晶粒区之间有明确的界线。参考文献:

[1]王芸，安晓利，魏星，等．铜导线短路熔痕微观形貌特征分析与

研究[J]．火灾科学，2008，17：44-48．

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织分析[J]．消防科学与技术，2007，26：211-214．

[3]杨晓红，马子宁，赵辉．电气火灾中导线熔痕的成因及形态特

征的研究[J]．东北电力技术，2006，(5)：15-16．

[4]吕红卓，曲磊．线路故障的痕迹特征及鉴定方法[J]．安全，

2008，(8)：12-15．

于断口表面的MnS夹杂，而是源于零件上的表面损伤或应力集中区域，这表明MnS夹杂不是该轴承断裂的主要原因。

该轴承采用了固体渗碳工艺，在金相观测中晶界并没有发现网状碳化物，奥氏体晶粒不粗大，表明零件可能进行了重新奥氏体化。金相显微形貌证明该轴承含有残余奥氏体，扫描电镜显微形貌证明，轴承边部为冰糖状沿晶开裂断口，表明该轴承的断裂机理是沿表面缺陷或应力集中部位开裂。该零件表面渗碳到较高的含碳量，造成热处理之后存在残余奥氏体，虽然不引起材料脆化，但其容易造成奥氏体晶粒晶间脆化。MnS夹杂虽然不是该零件失效的直接原因，但非金属夹杂物却是萌生疲劳裂纹的发源地之一，也是降低疲劳强度的一个因素，同时由于材料中硫含量相对较高，高频疲劳试验中会产生较高的热量，在齿根位置会产生一定程度的应力集中，因此在裂纹起源处的晶界发生了选择性的氧化，使硫在晶界附近富集，引起热脆现象并造成晶界脆化[6]，裂纹由此在已脆化的晶界处生核，沿晶界向内部和表面扩展导致开裂。5结语和建议

(1)尽量提高轴承键侧的表面质量，如提高表面光洁度、清除尖角和改善构件外形等；另外可酌情采取喷丸、辊压和氧化等处理方式，以提高表面的疲劳强度，从面避免应力集中。

(2)轴承中条状MnS夹杂对开裂有着重要影响，因此轴承钢冶炼脱硫工艺(如RH真空冶炼工艺、精炼渣碱度控制工艺等)的优化显得格外重要。

参考文献:

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显微检验法[S]．

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分析[J]．热加工工艺，2001，(4)：173-175．

[6]胜亦正昭，肖迎翔．Ni-Cr-Mo-V钢的过热脆化与奥氏体晶粒

界面析出MnS量的关系[J]．铁と钢，1990，63：123-131．

50μm

20μm

谱图1C

→

E/keV

0246810

图4不同区域的扫描电镜显微形貌和能谱成分定性分析

Fig.4SEM morphology of marginal fracture(a),SEM morphology and EDS qualitative analysis of radiation fracture(b)and

SEM morphology of secondary cracking fracture(c)

(a)断口边缘平缓区域扫描电镜显微形貌(b)断口放射区扫描电镜显微形貌和能谱成分定性分析(c)断口二次开裂区域扫描电镜显微形貌

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《热加工工艺》2011年第40卷第14期