水泵軸承斷裂失效分析

張秀娟 吳繼青

（廣東珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

水泵軸承斷裂失效分析

張秀娟 吳繼青

（廣東珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

水泵常應(yīng)用于供熱、制冷、中央空調(diào)及熱水器等家用或商用電器，而這些水泵的軸承是支撐離心泵轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵零件，本文針對(duì)某廠家的水泵軸承的斷裂失效試樣，通過原材料化學(xué)成分測(cè)試、掃描電鏡及能譜分析、金相分析，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)水泵軸承斷裂失效原因及機(jī)理進(jìn)行分析，并制定相應(yīng)的預(yù)防措施。

水泵；軸承；斷裂；失效分析

水泵作為一種通用機(jī)械，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門。無論是農(nóng)業(yè)的灌溉、排澇，還是城市的給水和排水，都離不開水泵[1]。此外，現(xiàn)代水泵除了用于抽水以外，還可以抽送其他液體，甚至抽送帶有粒塊的漿狀物，如泥漿、煤漿、混凝土漿、紙漿及化工化學(xué)藥品水溶液。水泵也常應(yīng)用于供熱、制冷、中央空調(diào)及熱水器等家用或商用電器，而這些水泵的軸承是支撐離心泵轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵零件，斷裂、腐蝕、剝落和泄漏等是水泵軸承常見的失效模式，其中以斷裂的危害最大，因此對(duì)斷裂的失效模式進(jìn)行深入分析并制定相應(yīng)的預(yù)防措施十分必要。

本文針對(duì)應(yīng)用于商用熱水器的不銹鋼臥式多級(jí)離心泵軸承斷裂失效試樣進(jìn)行分析。

1 水泵鋼軸斷裂失效分析

1.1 成分測(cè)試

通過直讀光譜儀對(duì)水泵軸承進(jìn)行成分測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從表1中材料的元素成分及含量可知：斷軸水泵軸的化學(xué)成分符合要求。

1.2 斷口表面形貌分析

利用掃描電鏡，進(jìn)行斷口表面形貌分析，具體情況如圖1～圖4。

結(jié)合掃描電鏡斷口表面形貌分析如下：

（1）兩軸（軸1、軸2）斷裂情況基本相同，斷口顏色呈暗灰色，說明有夾雜物存在（如圖1，圖2紅色方框所示）。夾雜缺陷處可以看到明顯的向周圍擴(kuò)展的呈輻射狀的紋跡。

（2）從圖4可以看出微觀斷口有大量韌窩存在，又因斷口處發(fā)生可察覺的塑性變形，可以斷定軸的斷裂類型為韌性斷裂。

（3）圖4中可以觀察到微觀孔洞在第二相金屬顆粒處形成，有的韌窩中有明顯的第二相顆粒，有的韌窩中第二相顆粒已與基體分離。第二相的存在也是引起金屬材料斷裂的主要原因。

1.3 能譜分析

應(yīng)用掃描電鏡，通過對(duì)軸斷口表面元素進(jìn)行點(diǎn)掃描和面掃描。點(diǎn)掃描發(fā)現(xiàn)夾雜物主要為Si-Ca化合物和FeS夾雜；面掃描分析可以看出材料元素分布不均勻，具體如圖5、圖6所示。雜質(zhì)元素的存在，影響了材料的組織結(jié)構(gòu)，此缺陷的存在成為軸在運(yùn)行中斷裂的主要原因。

圖1 軸1斷口表面形貌

圖2 軸2斷口表面形貌

1.4 金相分析

對(duì)軸斷裂位置進(jìn)一步進(jìn)行金相分析，如圖7紅色方框所示，可以很清楚觀察到有夾雜物存在。

由于夾雜物的存在使鋼中的奧氏體晶粒組織分布不均，同時(shí)存在夾雜相[2]。夾雜相吸附于奧氏體晶界等晶體缺陷處，對(duì)軸材料性能有直接的影響[3]。

圖3 斷口夾雜區(qū)域放大

圖4 斷口的SEM形貌

2 斷裂失效機(jī)理及原因分析

斷裂失效是結(jié)構(gòu)材料最主要和最具危險(xiǎn)性的失效，其分類比較復(fù)雜，一般有如下幾種[4]：

（1）按斷裂機(jī)理分為滑移分離、韌窩斷裂、蠕變斷裂、解理與準(zhǔn)解理斷裂、沿晶斷裂和疲勞斷裂；

（2）按斷裂路徑分為穿晶、沿晶和混晶斷裂；

（3）按斷裂性質(zhì)分為韌性斷裂、脆性斷裂和疲勞斷裂。在失效分析實(shí)踐中大都采用這種分類法。

斷裂失效分析思路是從分析斷口的宏觀與微觀特征入手，確定斷裂失效模式，分析研究斷口形貌特征與材料組織和性能、零件的受力狀態(tài)以及環(huán)境條件(如溫度、介質(zhì)等)等之間的關(guān)系，揭示斷裂失效機(jī)理、原因與規(guī)律，進(jìn)而采取改進(jìn)措施與預(yù)防對(duì)策。

從圖4可以看出微觀斷口有大量韌窩存在，可以斷定軸的斷裂類型為韌性斷裂。韌性斷裂又叫延性斷裂和塑性斷裂，即零件斷裂之前，在斷裂部位出現(xiàn)較為明顯的塑性變形。在工程結(jié)構(gòu)中，韌性斷裂一般表現(xiàn)為過載斷裂，即零件危險(xiǎn)截面處所承受的實(shí)際應(yīng)力超過了材料的屈服強(qiáng)度或強(qiáng)度極限而發(fā)生的斷裂。

韌窩是金屬韌性斷裂的主要特征。韌窩又稱作迭波、孔坑、微孔或微坑等。韌窩是材料在微區(qū)范圍內(nèi)塑性變形產(chǎn)生的顯微空洞，經(jīng)形核、長大、聚集，最后相互連接導(dǎo)致斷裂后在斷口表面留下的痕跡[5]。在外界條件固定的情況下，材料的性能取決于材料的成分和組織結(jié)構(gòu)以及排列方式和空間分布。韌性斷裂的形成過程為隨著應(yīng)力的增加，直至斷裂。當(dāng)外載達(dá)到屈服應(yīng)力后，裂紋尖端不斷發(fā)生位錯(cuò)，塑性區(qū)逐漸形成。只要外力不大于整體屈服應(yīng)力，塑性區(qū)中位錯(cuò)的反應(yīng)力就要阻止裂紋尖端前方進(jìn)一步的形變。當(dāng)外載材料到達(dá)整體屈服后，塑性區(qū)完全橫貫整個(gè)試樣截面，與此同時(shí)裂紋尖端前方材料不斷發(fā)生加工硬化，裂紋本身的擴(kuò)展一定要在外載不斷增加時(shí)才能進(jìn)行。

由位錯(cuò)理論可知，在夾雜物周圍堆積著位錯(cuò)環(huán)，在沒有外力的作用時(shí)，位錯(cuò)環(huán)受夾雜物的排斥作用以及位錯(cuò)堆積應(yīng)力的作用而保持平衡狀態(tài)[6]。當(dāng)所施加的外力足夠大時(shí)，夾雜物周圍堆積的位錯(cuò)會(huì)重新運(yùn)動(dòng)起來，位錯(cuò)環(huán)向夾雜物運(yùn)動(dòng)。當(dāng)其前沿所累積的彈性應(yīng)變能足以克服夾雜物與基體之間的界面結(jié)合力而形成新表面時(shí)，便會(huì)形成顯微空洞。由于顯微空洞的形成使后面的位錯(cuò)受到的排斥力大大降低，從而大量的位錯(cuò)在外力的作用下向新生成的顯微空洞運(yùn)動(dòng)，使顯微空洞長大，原來存在于位錯(cuò)環(huán)后面的位錯(cuò)源，由于原來堆積位錯(cuò)的約束消失而重新活躍起來，產(chǎn)生新的位錯(cuò)環(huán)，并源源不斷地向顯微空洞運(yùn)動(dòng)，使顯微空洞做迅速的不穩(wěn)定擴(kuò)展及聚合[7]。由于位錯(cuò)可以在不同的滑移面上堆積，因此顯微空洞可由一個(gè)或幾個(gè)滑移面上位錯(cuò)的移動(dòng)而形成，其它滑移面上的位錯(cuò)向該顯微空洞運(yùn)動(dòng)而使其長大[8]。金屬內(nèi)部形成的大量顯微空洞在外力的作用下不斷長大，同時(shí)幾個(gè)相鄰顯微空洞之間的基體橫截面在不斷縮小，直至彼此連接導(dǎo)致斷裂，形成韌窩斷口形貌。

圖5 軸斷裂表面的點(diǎn)掃描

圖6 軸斷裂表面的面掃描

3 分析結(jié)論及對(duì)策

綜上，此水泵316L不銹鋼軸斷裂原因?yàn)椋轰撦S中存在夾雜物，且夾雜物作為獨(dú)立相存在，破壞了基體的連續(xù)性，引起應(yīng)力集中，成為裂紋源。當(dāng)軸受到外力作用時(shí)，夾雜物難以變形，而它周圍的金屬在很大張力下發(fā)生變形流動(dòng)，使金屬和夾雜物界面分離，形成空隙，由此產(chǎn)生裂紋并加速其擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂。

同時(shí)，鋼中存在組織不均勻性，使鋼的力學(xué)性能呈各向異性，不但影響鋼的橫向塑性，降低鋼的沖擊韌性和斷面收縮率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使鋼的塑性和韌性降低導(dǎo)致軸的早斷。

圖7 斷口金相組織

表1 316L不銹鋼的元素成分及含量

水泵316L不銹鋼軸內(nèi)存在夾雜物導(dǎo)致斷裂，預(yù)防措施如下：

（1）落實(shí)廠家核查其水泵鋼軸的制造過程，針對(duì)鋼軸中存在夾雜物問題進(jìn)行針對(duì)性整改，如在冶煉過程加強(qiáng)除渣等，要求提供詳細(xì)的分析整改對(duì)策。

（2）加強(qiáng)來料檢驗(yàn)，進(jìn)一步安排對(duì)此廠家水泵增加各種非常規(guī)惡劣環(huán)境試驗(yàn)，驗(yàn)證軸的可靠性。

（3）相關(guān)技術(shù)人員在入廠檢驗(yàn)階段定期解剖水泵，監(jiān)控材料雜質(zhì)含量及各項(xiàng)組織均勻性。

[1] 侯仰海. 農(nóng)用水泵軸承材料的研究與應(yīng)用[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2006, 12:178-179.

[2] 上海金屬學(xué)會(huì). 金屬材料缺陷金相圖譜[M]. 上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 1996.

[3] 劉天佑. 鋼材質(zhì)量檢測(cè)[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社, 1999.

[4] 鐘培道. 斷裂失效分析[J]. 理化檢驗(yàn). 物理分冊(cè). 2005 (07)

[5] 張棟, 鐘培道等. 失效分析[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 2004.

[6] 張麗萍, 葛建軍, 趙愛軍. 淺談鋼中夾雜物的控制對(duì)鋼質(zhì)量的影響[J]. 包鋼技術(shù), 2002, 28(4):85-87.

[7] Bruno Charles De Cooman, John Gordon Speer. Materials Design-The Key to Modern Steel Products [M]. Bad Harzburg: GRIPS Media Gmbh,2007:47-48.

[8] Gladman T. The Physical Metallurgy of Microalloyed Steels[M]. London, The Institute ofMetals, 1997:47-53.

Research of water pump bearing fracture failure reason

ZHANG Xiujuan WU Jiqing
(Gree Electric Appliance, INC.of Zhuhai Zhuhai 519070)

Pumps are often used in heating, cooling, central air conditioning and water heater and the water pump bearing is the key to support the rotor of the centrifugal pump parts. This paper aim at the failure of one manufacturer of water pump bearing samples, through raw material chemical composition test, scanning electron microscopy (SEM) and energy spectrum analysis (EDS) and metallographic analysis, combined with the literature analysis of fracture failure reason and mechanism of water pump bearing, and formulate the corresponding prevention measures.

Water pump; Bearing; Fracture; Failure analysis