失效分析步骤

高铁及轨道交通轴承失效分析方法洛阳轴研科技股份有限公司概述高速铁路作为现代社会的一种新的运输方式，在安全、快捷、经济、环保等方面都具有比较明显的优势。

进入新世纪以来，中国铁路决定将高铁及轨道交通等客运高速作为实现现代化的一个主要方向。

依照自主创新，中国高铁从无到有，经过十多年的高速铁路建设，我国高速铁路运营总里程将突破1.3万公里，同时我国轨道交通技术装备逐步提高并实现了国产化，但作为基础精密件的轴承，我国目前主要依靠进口。

高速铁路客车轴承的高可靠性性及长寿命要求，一致制约着我国高铁轴承的研发。

近年来，出于对研发、运行安全以及经济等多方面的考虑做了大量的高铁及轨道交通轴承的失效分析。

通过失效分析，找出故障产生的原因，并采取有效措施进行预防和控制，防止突发性事故的出现，把故障造成的损失降低到最低，从而提高产品使用的安全可靠性，充分发挥其价值，这是一项十分重要的工作。

1．失效分析的概念轴承在运转一定时间后，由于制造、安装、使用、维护等方面的原因使其丧失（或局部丧失）规定功能，从而导致故障或不能正常工作的现象称为失效。

失效有以下几种形式：（1）完全不能工作。

如零件材料的疲劳、断裂等；（2）仍然可以继续工作，但已不能得到预期令人满意的性能。

如轴承运转时的工作温度上升、振动和噪声增加等；（3）已经不能保证可靠或安全的继续使用，必须拆卸进行修理。

按照一定的方法分析失效的性质和发生原因、研究失效的处理方法和预防措施的技术及管理活动被人们称之为失效分析。

“失效”与“废品”具有不同的含义，“废品”是不符合技术规范、标准和图纸要求的而又不能返修利用的产品。

“失效”的产品不一定是“废品”，而“废品”也谈不上失效。

轴承的失效按其寿命可分为正常失效和早期失效两种。

分析工作主要是针对早期失效的轴承，找出其失效的原因，提出改进措施，以提高轴承运转的寿命和可靠性。

2．失效分析的目的和意义（1）失效分析可以从个别的偶然发生的失效事件中找出失效的起因，预防和减少产品同类失效现象的重复发生，从而起到减少经济损失和提高产品的制造质量和使用质量的目的。

（2）失效是由于各种因素导致产品质量发生偏差的反映。

通过失效分析可以找出导致产品质量发生偏差的原因。

（3）失效分析可以为产品改进、技术改造、管理者决策等提供信息、方向、依据、途径和方法。

（4）失效分析可以划清责任。

（5）失效分析是机械产品维修工作的基础，它可以决定产品维修的可能性、技术和方法，从而达到提高维修工作质量的效果。

轴承的失效分析是提高轴承可靠性系统工程中的重要环节，是一门跨学科的技术领域，它既有综合性，又有适用性。

所谓综合性表现在它涉及面广，包扩产品的结构设计、机械制造工艺、材料的选用与冶金技术，以及摩擦学、腐蚀学、工程力学、断裂力学、金属物理、表面物理等广泛的学科领域和技术门类。

失效分析技术必需依赖于这些相关学科的发展而向前发展；而这些相关学科的发展又都与失效分析工作密切相关。

所谓实用性表现在轴承的失效分析工作必须从生产实际出发并紧密地为生产服务，具有很强的应用背景。

所以说轴承的失效分析工作是与轴承产品质量及其生产发展密切相关的重要工作。

它的工作特点要求从事该项工作的技术人员知识面广、经验丰富和技术先进。

3.滚动轴承的失效模式滚动轴承在使用过程中，由于制造因素和使用中各因素的影响，其承载能力、旋转精度等性能会发生变化，当其性能指标达不到使用要求时就产生了失效或损坏。

影响滚动轴承失效的因素很多，如设计、材料、制造、安装条件、环境条件、维护保养等。

从大多数滚动轴承的失效分析表明，轴承失效大部分是由于使用或维护不当引起的，如选型不合理、轴承安装、润滑不良、密封失效、支承部位设计和制造缺陷、操作失误等。

滚动轴承常见的失效形式有疲劳剥落、磨损、塑性变形、腐蚀、烧伤、电腐蚀、保持架损坏等。

GB/T24611-2009/ISO15243：2004《滚动轴承损伤和失效术语、特征及原因》对滚动轴承在使用中发生失效的特征、外观变化及可能的原因进行了定义、描述和分类。

标准所述的滚动轴承失效是严格按照其失效的主要原因进行划分的，但也未必都能够很准确地将原因、特征或失效机理和失效模式区分开来，大量相关的文献也都证实了这一点。

随着摩擦学等相关学科研究和发展，对失效机理和失效模式方面的描述和划分也必将会更合理、更科学。

该标准将失效模式分为六个大类和不同的小类，详见图1。

4.滚动轴承失效分析的思路和一般程序4.1失效分析思路轴承失效分析的步骤大体为：（1)失效实物和背景资料的收集（2)轴承有关数据的收集（3)对失效零件进行初步检查（4)测定失效轴承的一些有关参数（5)无损探伤检查（6)机械性能分析（7)宏观检查和分析（8)微观分析（9)成分分析及其他分析（10)酸洗检查（11）信息的分析处理、拟定结论、写出失效分析报告4.2失效分析的一般程序（1）失效实物和背景资料的收集在进行失效分析时，首先应收集轴承完整、准确的使用数据。

因为这些数据对于全面了解失效件乃至主机的使用情况，周围环境的影响，是否产生附加载荷，以及转速、温升和润滑等方面可能存在的问题是必不可少的。

（2）轴承数据分析失效分析人员应掌握设计人员提供的有关参数，把设计的与实际观察到的情况进行对比。

（3）对失效部件进行初步检查1）外观检查的重要性失效轴承（包括其全部碎片）在进行任何清洗前，都必须进行彻底的外观检查。

在零件上发现的某种脏物和碎屑常常能为判断失效原因，或确定导致失效的先后顺序提供有力的证据。

因此，必须对它们作出详细的记录。

在进行外观检查时，要注意细微的颜色和运转轨迹的形状及其改变，并注意观察断口的表面及裂纹的扩展轨迹。

全部重要特征都应记录并尽可能用数码相机进行拍照。

例如深沟球轴承有代表性的运行轨迹见图1所示。

图1 深沟球轴承运行轨迹示意图（a）是内圈旋转时只能承受径向载荷的普通的运行轨迹。

（b）外圈旋转，承受径向载荷。

（c）内圈或外圈旋转，承受单向轴向载荷。

（d）内圈旋转，承受径向载荷及轴向载荷。

（e）内圈旋转，承受轴向载荷及非直线性。

（f）内圈旋转，承受力矩载荷（非直线性）。

（g）内圈旋转，轴承箱内径是椭圆的。

（h）内圈旋转，轴承内部没有游隙（运转游隙为负）（c）～（h）所示的运行轨迹对轴有承有很坏的影响，大多使用寿命比较短。

2）初步确定其失效模式及类型3）标出零件在什么位置上取样，以便下一步检测分析（4）测定失效轴承的一些有关参数进行全面分析前，在可能的情况下（如轴承还没有损坏到无法测定的情况时），还应测定轴承的结构设计参数，包括尺寸精度、旋转精度、径向游隙、接触角等项内容。

（5）无损探伤检查在某些情况下，要对失效轴承进行无损探伤检查，以测定轴承零件的表面或内部是否存在裂纹或其他类似的材料缺陷。

这对判断失效原因是极为有力的证据。

（6）机械性能分析硬度测定：评定热处理质量的好坏；测定加工硬化或过热、脱碳或增碳引起的软化或硬化现象。

（7）宏观检查和分析1）断裂面的保护为了研究疲劳断裂的原因，要求断裂表面保持断裂瞬间的真实状态，否则会给分析带来困难。

如断口不能马上观察，应在断口表面涂火棉胶涂层，并放在干燥器内存放，以免产生锈蚀。

2）疲劳断口试样的选取①先肉眼观察断裂的扩展情况，若能看出裂纹扩展方向，可从末端、中间和断裂源处分别取样。

②要标注选取的试样在整个零件上的部位。

③试样切割前应将轴承的旋转精度、尺寸精度及残余应力等需要测定的数据测完，否则难以补救。

④切割时要将断口表面保护起来，并要考虑切割时温升的影响，以免断口区受热而影响到原有组织的改变。

3）宏观检查宏观检查是失效分析过程中最重要的环节之一。

通过宏观检查可了解轴承失效的概貌、裂纹源的位置、可能产生的失效模式，并估计造成失效的原因。

宏观检查是指用肉眼、放大镜、低倍体视显微镜及扫描电镜的低倍观察。

通常可以确定裂纹源的位置及确定裂纹的扩展方向。

通过对断口表面的形貌观察分析，可以大致判断其断口是属于哪一类型的断口，由此可能获得导致零件失效时的应力状态的一些启示。

通过宏观分析也可以发现零件加工中存在的缺陷、材料缺陷以及是否存在应力集中的可能性等。

（8）微观分析在宏观检查基础上再对不同的失效类型进行微观的深入分析，如疲劳源位置的确定、疲劳裂纹的扩展及疲劳剥落的形貌特征，再做定性定量的分析研究，从而作出正确的判断。

1）金相分析①被检材料大概的种类和组织状态。

②从检验出的显微组织，来推断或证实被检材料的热处理工艺过程、执行这些工艺是否正常合理、可提供产生故障时是否同时伴随发生过塑性变形等情况，以及零件在使用过程中，是否曾产生过烧伤等其他的热处理情况。

③反映出零件在服役工况条件下，发生的磨损、腐蚀、氧化、疲劳剥落等。

④若失效件上存在裂纹，可大致看出裂纹的发生、延伸和分布特征，并从裂纹两侧的显微组织判断裂纹的性质，为裂纹的产生原因提供较为可靠的依据。

⑤从金相检验的结果可知材料的显微组织及非金属夹杂物的类型和含量，从而判断材料是否符合设计的要求。

⑥在断口附近进行金相检验，了解材料中的夹杂物、显微组织、成分偏析（带状组织及液析）、脱碳、增碳、晶粒大小、不适当热处理、变形、晶界腐蚀、应力腐蚀产物及裂纹的扩展情况等信息。

2）扫描电子显微镜分析扫描电子显微镜可直接观察断口表面，可从几十倍到几万倍放大观察，是研究断裂失效分析最有效的工具。

它可观察到疲劳剥落源、疲劳裂纹扩展的路径及疲劳剥落的形貌特征，揭示疲劳剥落的成因及影响因素。

带能谱的扫描电镜可通过微区成分分析鉴别断口上经常出现的夹杂物、析出相及腐蚀产物的类型。

（9）成分分析及其他分析1）常规化学分析常规化学分析在失效分析中，能查明材料是否符合规定要求。

但应注意有害元素如氧、钛等元素的含量。

2）微区成分的分析用电子探针或X射线能谱仪，可在不破坏试件本身的情况下，对失效件进行微区成分的分析。

它尤其对失效件上残留微量物进行定性及半定性分析是极为有利的，根据分析得到的元素组分及含量，可以粗略估计所分析物质的类别。

3）X射线应力测试及X射线衍射分析X射线应力测试仪可测定轴承服役前后残余应力的变化。

X射线衍射仪可测定零件的残余奥氏体含量，用以判断热处理工艺是否符合要求。

残余奥氏体含量会影响零件的尺寸稳定性。

（10）酸洗检查酸洗在失效分析工作中有时是必不可少的步骤，通过酸洗可以确定轴承零件是否存在表面裂纹，也可以判断轴承零件在冷加工过程中是否产生了较为严重的变质层。

酸洗分冷酸洗和热酸洗两种，根据不同材料或目的选取不同的酸洗方法。

1）热酸洗：主要用于显示通过宏观检查或无损探伤后发现或怀疑零件存在的表面裂纹。

2）冷酸洗：如轴承的工作面较易出现表面剥落或磨损加剧现象，除考虑上述原因外，还应考虑到零件表面是否产生了较为严重的磨削表面变质层，表面变质层可以通过冷酸洗及金相组织分析的方法加以确认。