被动轴断裂失效分析
轴类零件的失效分析和预防
轴类零件的失效分析和预防发表时间：2020-04-07T15:18:36.773Z 来源：《基层建设》2019年第32期作者：邢宇斐刘季丑婀娜艾浩[导读] 摘要：随着现代装备发展的需要，轴类零件越来越多地应用在各类机械设备中，轴类零件的失效分析和失效预防也成为机械行业领域的关键技术，本文主要分析了轴类零件的失效原因和失效形式，并结合其在机械设计加工过程中的实际应用，提出了轴类零件在结构设计和机械加工等发面的预防措施。
陕西长岭电子科技有限责任公司陕西省 721000摘要：随着现代装备发展的需要，轴类零件越来越多地应用在各类机械设备中，轴类零件的失效分析和失效预防也成为机械行业领域的关键技术，本文主要分析了轴类零件的失效原因和失效形式，并结合其在机械设计加工过程中的实际应用，提出了轴类零件在结构设计和机械加工等发面的预防措施。
关键词：轴类零件；失效分析；失效预防；机械加工；结构设计引言轴类零件作为机械生产加工行业中的典型工件，尤其是在大型机械设备中必不可少的重要零件，几乎是各类机械设备和产品中使用频率最高的零部件，在某些工况下，轴类零件甚至是整机中的关键件。
1轴类零件特征概述轴类零件是机械设备中用来支承传动零部件、传递扭矩和承受载荷的一种旋转体零件，其实际用途和使用工况的差异也对轴类零件的生产提出了不同的结构设计要求，轴可以由同心的外圆柱表面、轴肩、端面、台阶、内空、螺纹孔、键槽、退刀槽、倒角、圆弧等各种不同的形式组成。
机械设备中涉及多种结构形式的轴类零件，包括阶梯轴、光轴、偏心轴、曲轴等。
在这些类型中，阶梯轴的工艺是最具加工特点的，能够表现出大部分轴类零件的机加方式。
轴是机械设备中最重要的传递动力的零件，是整个轴系传动装置的基准，其他传动零件是以轴为支撑做回转运动的，轴的几何形状精度（圆度、圆柱度、直线度等）和表面粗糙度甚至直接决定了机械产品的质量。
如果因加工精度误差导致装配后的轴的间隙不一致，会加速轴的局部磨损和运动精度，也会降低其他零件的工作寿命，影响机械设备的使用性能。
45号钢电机轴断裂失效分析
２江苏王牌 直流 电机制 造有 限公 司 ， 江苏宝应 ２ ５ ０ ） ２８０
摘 要 利 用光学金相显微 镜 、 学分析 、 化 扫描 电镜及能谱 分析 ， ４ 对 ５号钢 电机轴在 使用过
程 中发生的断裂进行检测和 分析 ， 结果 表明钢 中有非金 属夹 杂物 ， 表观质 量差 、 金相 组织不 够优
表 １ 化 学 成 分 分析 结 果
零件 常 用材料 ， 经 过 调 质 （ 火 ） ， 得 到 较 它 正 后 可 好 的切 削性能 ， 且 能 获 得较 高 的强 度和 韧 性 等 而
综合 机械 性能 。失效 主 要是指 某零件 由于某种 原 因导致 某尺寸 、 形状 或 材 料 的组 织 与 性 能 的变 化
辉 纹 ， 部出现 二次 裂纹 ， 局 故可 推断 电机 轴 的断 裂 形 式为疲 劳断 裂 。比较光 滑 的疲 劳 区产 生 的原 因 是 由于在 疲劳 裂 纹 发 生和 发 展 的 区域 ， 循 环 载 在 荷 的作 用下 ， 多次发 生撞击 和研 磨现 象 ， 疲劳 区 使 形成 光滑 的外 观 ， 且应 力循环 的次数 越 多 ， 劳 并 疲
区越 光滑 。在 最 后破 断 区 由于是 突 然 性 破坏 ， 呈
１ 失效 分 析
１ １ 化 学分 析 ． 来自表 １所示 为样 品化 学 分析 结 果 ， 可见 锻 件 的 化学 成 分 符 合 标 准 Ｊ ／ ３ ７ ２ ０ 《 型 碳 素 Ｂ Ｔ６９ － ０６ 大
轴承失效的九个阶段
轴承失效的九个阶段
轴承失效通常可以分为以下九个阶段：
1. 起始阶段：在此阶段，轴承可能会出现金属疲劳、表面裂纹、凹坑等初期损伤。
2. 弹性阶段：在此阶段，轴承可能会出现弹性变形，但通常不会对轴承的性能产生明显影响。
3. 塑性阶段：在此阶段，轴承可能会出现塑性变形，轴承内部的金属开始发生塑性变形，可能会导致轴承形状的改变。
4. 疲劳阶段：在此阶段，轴承可能会出现疲劳裂纹，由于长期的应力作用，轴承表面可能会出现微小裂纹，这可能会导致轴承的强度和耐久性下降。
5. 磨损阶段：在此阶段，轴承可能会出现磨损，由于长期摩擦和磨损，轴承表面可能会出现磨损、磨粒等现象。
6. 过热阶段：在此阶段，轴承可能会因为摩擦产生过多的热量，导致轴承温度过高，进而热膨胀、塑性变形。
7. 润滑不良阶段：在此阶段，轴承可能会因为润滑不良而出现干磨、润滑膜破裂等现象，进而导致轴承的运转不稳定。
8. 失效阶段：在此阶段，轴承已经无法正常工作，可能会发生严重
的磨损、断裂、脱层等故障，导致轴承失效。
9. 结束阶段：在此阶段，轴承已经完全失效，无法继续使用，需要进行更换和修复。
某45钢电机转轴早期断裂失效分析
某45钢电机转轴早期断裂失效分析
杨广舟;齐建波;杨礼林
【期刊名称】《当代化工研究》
【年(卷),期】2024()4
【摘要】本文对某机床45钢电机转轴早期异常断裂情况,采用直读光谱、扫描电子显微镜、硬度计、蔡司金相显微镜等分析设备对转轴进行了检测和分析,内容包括对断口位置的化学成分、夹杂物,宏观形貌和微观组织,以及显微维氏硬度。
结果表明:化学成分和非金属夹杂物、带状组织、晶粒度,转轴基材符合国标对45钢的要求。
断裂主要原因是轴与轴套接触位置配合不当,应力集中导致在断裂源处发生热摩擦,使转轴表面有过热重熔现象,形成了粗大显微组织,降低了转轴表面强度,从而加快疲劳裂纹的形成和扩展,导致早期异常断裂的发生。
【总页数】3页(P44-46)
【作者】杨广舟;齐建波;杨礼林
【作者单位】内蒙古科技大学材料与冶金学院
【正文语种】中文
【中图分类】TG142.2
【相关文献】
1.理化分析在注塑机溶胶电机转轴断裂失效分析中的应用
2.45号钢电机轴断裂失效分析
3.S45C-A电机转轴疲劳试验断裂原因分析及其应对措施
4.40Cr钢电机转轴断裂失效分析
5.数控机床45钢转轴断裂失效分析研究
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轴承失效形式及原因分析
轴承基本知识
轴承基本知识
轴承基本知识
轴承基本知识
我们车间目前使用的主轴承就是轧机轴承：粗中轧 轧辊和红圈辊箱均使用四列圆柱滚子轴承，CCR辊箱 使用为调心滚子轴承。 圆柱滚子轴承内径与辊颈采用紧配合，承受径向力 ，具有负荷容量大、极限转速高、精度高、内外圈可 分离且可以互换、加工容易、生产成本低廉、安装拆 卸方便等优点。 调心滚子轴承具有双列滚子，外圈有1条共用球面 滚道，内圈有2条滚道 并相对轴承轴线倾斜成一个角 度。这种巧妙的构造使它具有自动调心性能， 因而 不易受轴与轴承箱座角度对误差或轴弯曲的影响，适 用于安装误差或轴 挠曲而引起角度误差之场合。该 轴承除能承受径向负荷外，还能承受双向作用的轴向 负荷。
三、轴承失效原因
三、轴承失效原因
1、氧化渣、水等异物侵入引起的失效： 轧辊轴承的精密度很高，它对异物十分敏感，氧化渣、水等异物侵入轴承内部是使其过早失 效的最主要原因。氧化渣、水等异物与润滑油脂综合后很容易产生油污泥，油污泥的形成和 堆积能造成许多不良后果，其一是油污泥占据了原来润滑油脂的很大一部分空间，因而迟缓 了热量的传递和散发；其二是硬而胶性的堆积物在滚动体和滚道上形成时，在工作负荷下滚 动体滚过这些沉积物时，工作应力将大为增加，结果是轴承的正常疲劳寿命减少：其三是保 持架发生疲劳，随之而来使整个轴承彻底损坏。 2、过载和过热引起的失效： 在安装正确，密封良好的情况下，过载是引起轴承失效的另一原因。众所周知，轧辊辊颈轴 承运行时承受着巨大而又频繁的冲击力，长时间超负荷过载运行，会引起轴承材料的过早疲 劳，最终将体现在滚道表面层材料的碎裂剥离(麻面)，这种损坏开始时发生在某些小面积上 ，但扩展极快。通常由于过载而引起的损坏总是先从内圈开始。过热而引起的失效情况多发 生在高线转速相对较快的10架～14架。轧辊轴承上，产生过热的原因可大致归结为：(1)润 滑油脂变质以及不足或过量；(2)过载：(3)装配不良：(4)外部热源传导进来的热量。轴承 长期过热会引起表面变色(暗蓝、蓝黑等)。过热不仅能使保持架严重氧化，同时也能使滚动 体、滚道退火软化，甚至咬死。
案例分享：发动机曲轴的断裂失效分析
案例分享：发动机曲轴的断裂失效分析展开全文断裂失效是指金属、合金材料、机械产品的一个具有有限面积的几何表面的分离过程，断裂是发动机曲轴在运行过程中的主要失效形式，且疲劳断裂居首位，占失效实例约60%，对企业生产和经营造成巨大浪费和损失。
曲轴断裂失效分析特别重要，可以防止同类失效现象的重复发生，为改进设计及加工工艺提供依据，消除隐患确保产品安全可靠等，同时也是企业节能增效的有利途径。
一、曲轴断裂简介曲轴作为发动机核心零件之一，由于加工基准在曲轴中心孔和主轴颈间经常转换，产生基准不重合误差，再加上各轴颈加工精度高和轴类零件加工过程中刚性差的特点，是发动机本体五大件中加工质量最难保证的零件。
同时，曲轴又是把燃烧气体推动活塞进行直线运动转变成回转运动的桥梁，曲轴的旋转运动是整车或发动机的动力源，因此曲轴的寿命是发动机考核的关键指标之一。
由于曲轴在工作中承受交变载荷，主轴颈和连杆颈圆角过渡处属于曲轴强度的薄弱环节，长期的高速旋转运转和较大的交变负荷应力将造成曲轴圆角处产生裂纹或断裂。
轴颈圆角处、轴颈表面如有缺陷，将成为裂纹源，易造成曲轴的早期非疲劳断裂。
裂纹源一般位于连杆颈R角处，沿着约45°方向往曲柄梢扩展，最后断裂，包括裂纹源、裂纹扩展、断裂三阶段。
如图1、图2所示。
曲轴的断裂大多是突然发生，易引起人员的伤亡和机器的损坏，造成的损失非常巨大，是曲轴生产厂家生产经营中特别关注的课题。
二、曲轴断裂分析曲轴断裂的原因主要有以下几种情况：1.机加工不符合要求（1）曲轴制造质量不好，加工粗糙、材质不佳，达不到设计要求。
（2）各缸工作不平衡，活塞连杆组重量偏差过大，引起曲轴受力不均而导致断裂。
（3）冷校直也是曲轴断裂的一个原因。
因为校直是塑性变形，会产生微裂纹，大大降低了曲轴的强度，因而在交变载荷的作用下，会导致曲轴断裂。
（4）各道主轴承中心线不同心，使曲轴受交变压力的作用，导致曲轴断裂。
造成主轴承不同心的原因，除了缸体热处理过程中自然失效机体本身变形引起的以外，往往还由于维修装配或刮瓦时主轴承不同心引起。
发动机凸轮轴轴承盖失效及改进分析
发动机凸轮轴轴承盖失效及改进分析摘要：发动机凸轮轴轴承盖的结构设计和强度分析在发动机开发之初起着非常重要的作用，为了避免凸轮轴轴承盖疲劳断裂导致发动机报废，在前期设计时，必须进行强度分析。
本文以某款发动机轴承盖断裂事件为例，对失效件进行材料分析、断口分析和显微组织分析，并采用TYCON、ABAQUS和FEMFAT分析软件进行疲劳计算分析，最终提出合理的改进方案，经过对比分析计算和可靠性试验验证满足要求，为今后发动机开发提供参考依据。
关键词：轴承盖、强度分析、失效分析1 主要内容某款发动机500小时可靠性试验台架运行55小时，凸轮轴轴承盖发生断裂失效（图1）。
图12试验分析2.1 化学成分检测（GDS光谱法）2.2 硬度检测标准要求HB为75～100，实测结果为HB88.2，符合要求。
2.3 断口分析断口见图2，断裂起源于箭头所示一侧。
在扫描电镜下观察，裂源处未发现铸造缺陷，断面上有疲劳辉纹，见图3。
综合断口分析结果认为该轴承盖为疲劳断裂。
图2图32.4 显微组织分析显微组织为：α-Al+（杆状、针状）共晶Si，未发现过烧现象，见图4。
图4100X2.5 试验结论：2.5.1、轴承盖为疲劳断裂；2.5.2、轴承盖的硬度符合技术要求，显微组织无过烧现象，T6处理正常；2.5.3、从显微组织中共晶Si呈杆状、针状的分布形态分析,该轴承盖在铸造时未进行变质处理，建议对该件在铸造时进行变质处理，以提高强度；2.5.4 校核设计强度，必要时可适当增加断裂处的厚度，以提高强度。
3改进措施3.1具体方案根据试验结论在现基础上螺栓孔处增加2mm厚度，同时对比加锶与不加锶两种方案。
改前改后对比见图5、图6、图7、图8图5图6图7（改前，最小壁厚为6.72mm）图8（改后，最小壁厚为8.47mm）3.2疲劳分析3.2.1用发动机配气机构计算软件TYCON计算的进排气侧凸轮轴受力情况如下：排气侧第五轴承盖受力最大，沿活塞运动方向最大受力为3393.02N，由于为最恶劣工况，本计算采用该冲击力进行计算。
(2016.6月)轴承失效分析报告
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二、失效分析的意义
失效分析可以找出机械故障部位、失效原 因和机理，从而提供产品改进方向和防止问 题发生的意见，它为设计者、生产者、使用 者找出故障原因和预防措施。是提高产品质 量的重要手段，是一门跨学科的综合性技术。 失效分析结果需反馈到设计和生产中去，这 样是为了保证产品可靠性和提高产品质量的 一种重要手段。
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配合不当
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轴与内圈配合 不当
锥套的锥度不 当
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配合不当
内圈与轴的配合 过松， 套圈端面 与轴肩的“爬 行”，产生热裂 纹。
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4。润滑失效与杂质损坏
由于润滑的不良和杂质进 入轴承而造成的损坏
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滑润失效
润滑不当，产 生很深的沟槽。
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三、轴承失效的主要形式
1.疲劳损坏(正常损坏) 2.存储、运输损坏 3.安装不当 4.润滑失效 5.杂质、摩擦、腐蚀损坏
下面将详细介绍其产生的原因
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1.疲劳损坏(正常损坏)
在交变接触应力下,钢材内 的杂质先发生破裂，形成微小 裂缝。裂缝不断扩展，导致金 属剥落。在滚道和滚动体表面 形成麻点。
பைடு நூலகம்15
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疲劳剥落
典型的外圈疲劳剥落
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2。存储不当产生锈蚀
A. 防锈油失效 B. 存放环境潮湿 C. 包装破损
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风力发电机组变桨轴承断裂失效分析
《装备制造技术》2019年第08期0引言变桨轴承是风力发电机组变桨系统的重要组成部分,其可靠性直接关系到机组的正常运行。
近年来,变桨轴承失效呈高发态势,这与早期变桨轴承行业认知不足存在一定关系,如早期仅采用工程算法对变桨轴承滚道强度进行校核,未引入有限元分析等。
风力发电机组变桨轴承主要有以下几种失效形式[1]:1)疲劳破坏:轴承次表面在交变切应力作用下产生裂纹,载荷作用下该裂纹向外扩展,最终导致接触表面剥落。
2)塑形变形:轴向载荷、径向载荷及倾覆力矩在变桨轴承上分布不好,进而产生塑形变形。
3)滚道磨损:杂质、粉尘、未能过滤的磨料及桨叶的颤动,导致变桨轴承产生麻点及凹坑。
4)保持架断裂:由于保持架材料及制造问题,载荷作用下变桨轴承产生内外圈相对变形,保持架在受到内外圈相对变形产生的拉力后快速失效。
5)套圈断裂:变桨轴承存在设计、制造缺陷或过载时,载荷作用下导致轴承套圈断裂。
风力发电机组变桨轴承服役环境比较恶劣,且工况复杂,双列四点接触球轴承是目前风电变桨轴承常采用的回转轴承形式,其承载能力强、结构紧凑。
按变桨轴承齿圈分布位置可分为内齿型及外齿型,大部分风电机组变桨轴承齿圈采用内齿结构,早期出于降本考虑,部分机组采用了外齿结构,以缩小轮毂尺寸,目前,国内外绝大多数风机机组均采用内齿结构。
本文所述变桨轴承为外齿型结构,如图1所示。
该机组投入运行两年后变桨轴承套圈断裂。
由于该轴承为早期设计,根据设计规范,仅考虑工程算法对轴承进行校核,未引入有限元分析,同时,在螺栓孔出现锈蚀坑情况下,有必要对轴承断口进行检测分析,基于以上情况,如下从设计(有限元分析)、制造(理化检验)等环节分析变桨轴承断裂原因[2-3]。
1有限元分析变桨系统组成结构包含轮毂、叶根、连接螺栓、变桨轴承等部分。
叶片螺栓将变桨轴承外圈与叶根连接,变桨轴承螺栓将变桨轴承内圈与轮毂连接。
轴承内圈与轮毂固定不动,通过外齿圈与安装于轮毂上的变桨齿轮箱啮合,实现轴承外圈与叶片相对于轴承内圈与轮毂转动[4],在运行过程中,变桨轴承同时承受轴向载荷、径向载荷及倾覆力矩的联合作用,轴承外圈材料为42CrMo4,热处理工艺为整体调质处理[5]。
泵轴断裂的失效分析
泵轴断裂的失效分析作者：张彬湖来源：《科技视界》 2013年第22期张彬湖（广东凌霄泵业股份有限公司，广东阳春 529600）【摘要】本文通过水泵断轴的断口分析，先对泵轴和销的强度进行校核，并通过调整以增大安全系数；然后对断裂处的联轴器进行分析；最后针对失效原因提出解决失效问题的建议。
【关键词】泵轴；断裂；失效分析０问题背景客户购买的某型号离心泵在使用2-3个月后，泵轴在钻有销孔处方发生断裂。
此水泵所用电机的功率为3.0kW，转速2900r/min，泵轴与电机轴通过刚性联轴器联接传动，联接尺寸见图1d。
电机轴与联轴器通过Φ6的销联接。
泵轴和销的材料均为SUS304。
１断口形貌分析断口如图1a所示。
泵轴断口受力边各有一小块黑色的区域，这是微裂纹开始的地方。
泵轴断口光亮带处表明泵轴外表面微裂纹出现后，因交变循环应力的作用而使该处的裂纹反复研磨而形成光亮带，其余地方均为可见晶粒的新鲜断裂带。
根据材料力学对断口的分析，这是典型的疲劳断裂的断口。
此水泵是单方向旋转，泵轴只受单方向的扭矩，不存在交变循环的应力，是不会产生疲劳断裂的。
因此先对泵轴和销的强度进行校核，再对联轴器的联接进行分析。
２强度校核泵轴强度校核：根据设计手册扭矩计算公式，电机额定扭矩MC=9549P/n，式中，P——电机功率（kw） n——电机转速（r/min）。
因为 P=3.0 N=2900，所以MC=9549*3.0/2900=9.88N·m，传动轴最大扭矩MCmax=2.2*9.88=21.7N·m。
材料力学上圆轴扭转时剪应力计算公式τ=16MCmax/(π*d3)=64MPa，查设计手册，泵轴钻销孔处的有效应力集中系数Kγ=3.4,故泵轴最大切应力为τmax=τ* Kγ=217.6MPa。
查不锈钢手册，SUS304的抗拉强度为539MPa，一般剪切强度按抗拉强度的0.5-0.6倍计算，所以许用剪切应力为[τ]=539*0.5=269.5MPa, 计算泵轴钻销孔处的安全系数n=[τ]/τmax=269.5/217.6=1.24，强度略显不足，安全系数最好是1.5-2。
轴承失效分析PPT课件
解决方案
优化减速机设计，减少瞬间冲击力 对轴承的影响；加强轴承热处理工 艺控制，提高材料韧性。
06 结论
轴承失效分析的意义和价值
轴承失效分析对于保障机械设备的安全稳定运行具有重要意义，通过分析轴承失 效的原因和机理，可以预防类似失效的再次发生，提高机械设备的使用寿命和可 靠性。
轴承失效分析的价值不仅体现在预防和减少机械故障上，还可以促进相关领域的 技术进步和产业升级，为新材料的研发和应用提供技术支持。
磨损失效
总结词
磨损失效是由于轴承在运转过程中，滚动体和套圈之间存在摩擦，导致轴承表面 磨损。
详细描述
磨损失效通常表现为轴承表面出现擦伤、剥落、胶合等现象，这可能是由于润滑 不良、异物进入、转速过高或负荷过大等因素引起的。磨损失效会影响轴承的旋 转精度和稳定性，严重时会导致轴承卡死或运转困难。
塑性形失效
断裂失效
总结词
断裂失效是由于轴承在受到过大的冲击载荷或应力集中时，其材料发生脆性断裂。
详细描述
断裂失效通常发生在轴承的滚动体、套圈或保持架上，由于过大的冲击载荷或应力集中，如材料缺陷 、热处理不良、装配不当等因素，使得轴承材料发生脆性断裂。断裂失效是一种突发性的失效方式， 对轴承和机械系统造成严重破坏。
轴承失效分析的重要性
随着工业的发展，机械设备向着高精度、高效率、高可靠性 的方向发展，轴承作为关键零部件，其失效分析对于保障设 备正常运行、提高生产效率和降低维修成本具有重要意义。
通过轴承失效分析，可以发现潜在的问题和故障隐患，预防 设备突发故障，减少生产损失。同时，失效分析还可以为轴 承设计和制造提供反馈，促进轴承性能的改进和优化。
05 案例分析
案例一：某机械设备的轴承失效分析
汽车零部件断裂失效分析简述(岑举
结构和配合的特性、载荷的性质和幅值、大多的内在质量缺陷、工作 和运行的状态、应力状态等等，都属于力学分析的范畴。他们不仅决 定了是否开裂，还总体上决定了以什么形式或在什么部位开裂。
设计的使用应力（各种指标）和强度（各种指标）技术条件；
关注实际的使用应力（工况）及制造质量分布的偏移和变化； 两者分布曲线相交则产生失效。 目前的失效分析和认知程度、评价主要还是在定性的水平上。
技术条件 设计应力
制造质量 使用应力、工况
2.5 断裂分析要素
从可靠性理论中断裂的应力模型得知，应力和强度是断裂分析的两大 要素，两个要素中哪一个贡献较大？最为活跃？如何地感知和评价是 断裂分析中的一个焦点；
关于灰色系统
是对内部结构可以部分了解或可以综合运用逻辑推理的方法进行 分析的系统。
从人类实践的绝对性来看，人类可以穷尽对机电失效规律及其预 防的认识，但从对失效分析的个别实践和认识来看，又总是在有 限的空间内进行的。因此，对失效特点和规律的认识又往往是有 限的和相对的，这就决定了失效分析的研究和发展总是处于一 个灰色系统内。 （失效分析的持续性、阶段性、可认知性和无止境性） （失效分析的病理学研究方法和流行病学研究方法）
式等原因引发局部产生微动磨损现 象，导致疲劳开裂。这类问题在轴 孔配合结构中最多体现。
疲劳断裂
案例20、某连杆销孔疲劳开裂 在挤压载荷作用下的疲劳开裂； 表现出了对油孔边缘处应力集中
的敏感性。
疲劳断裂
案例22、剪切应力疲劳开裂
半轴、钢板弹簧等零件，产生在高强韧性的零件中； 属于应变疲劳的性质，也称为高应力低周疲劳； 扭转的应力状态更有部件及断裂失效特性
汽轮机轴断裂失效分析
汽轮机轴断裂失效分析摘要：在电厂的日常生产过程之中汽轮机是一个相当关键的设备，与电厂的经济及社会效益紧紧相关，其主要是将热能转化成为机械能，进而对整个电厂的运作以及各个项目的生产起到巨大的推动作用。
轴承是汽轮机设备上的一个非常重要的部件，但是在日常的使用和操作过程当中难免会出现相应的问题。
基于此，文章就对汽轮机轴断裂失效展开分析和探讨，希望可以提供一点帮助。
关键词：汽轮机；机轴；断裂失效1电厂汽轮机轴承概述分析汽轮机轴承在电厂的日常生产当中可以分为两种基本的类型，这两种是推力轴承以及支撑轴承。
支撑轴承主要有三种类型，分别是三油轴承、圆筒型轴承还有椭圆型轴承；而推力轴承则是由多个瓦块以及零部件组合而成。
在电厂的生产当中汽轮机轴承有着非常重要的作用。
在电厂工作过程当中，轴承主要是以支撑转子的力量和质量作为基础，借助支撑转子的质量存在的不平衡性，引发出巨大的离心力，使得支撑转子的中心部位可以始终与电厂的气缸设备等维持一致，确保汽轮机等重要零部件能够正常运转。
在汽轮机操作的具体过程当中，其内部轴承的轴向移动状况可以非常明确并且直观的展现出机组推力变化状况。
如果轴向有较大移动，则汽轮机设备就会发出相应的警告信号，而如果轴向的移动超过了一定的界限，则汽轮机就会做出相应的保护动作，停止运行，来确保电厂内部其他设备的安全性。
2汽轮机轴断裂失效分析2.1案例介绍某汽轮机轴在使用过程中发生断裂，断裂汽轮机轴的材料为25Cr2MoV，使用温度为450℃，工况压力4．2MPa，为分析汽轮机轴断裂的原因，对断裂的汽轮机轴进行了失效分析。
2.2理化检验及结果（1）宏观形貌分析汽轮机轴断口宏观形貌照片见图1，汽轮机轴端面可以分为两个半圆的平整区和心部的“一字”花样粗糙区构成，为典型的双向弯曲疲劳断裂断口。
断裂源起源于汽轮机轴的外表面，裂纹呈现多源的特征，裂纹从断口两侧开始向内扩展，最终在汽轮机轴心部断裂，呈现心部的“一”字型花样。
铁路货车车轴断裂失效分析
应
急
分 (c) 沿轴的横向100×
图18 铁素体不均匀偏聚(a,b,c)
析
网
图19 轴表面断口附近的横向裂纹100×
12
中
国
图20 断口上的微裂纹在内部转向100×
根据上述检测和分析，可以得出1564 号轴的裂断过程：
应 在1564 号轴断口附近的轴表面存在着明显的、有一定深度的锈蚀斑，同时还存在因加工不当
关键词：40 钢；车轴；卸荷槽；裂断；锈蚀；刀痕；铁素体偏聚；累积损伤；微裂纹
材料种类 牌号：中碳钢/40
急
分 2004 年7 月26 日晚，10915 次货物列车在京九线济南铁路局管内任详屯至郓城间，发生了
车轴冷切。10915 次货物列车编组49 辆，发生切轴的为机车后部第40 辆车，编号为C62A 4528204 ，
分
析
网
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分 上的裂纹萌生点在相会时宏观上形成台阶（见图6）。此阶段发展过程中，旋转弯曲载荷下的闭合
效应和极微小的扭转位移，使得此区对磨得平整光亮，而其它部位的裂纹萌生点受到抑制。
析 疲劳裂纹源形成后，由于车轴材质存在严重的铁素体偏聚（见图18），在疲劳载荷作用下已
形成大量的疲劳累积损伤微裂纹，这使裂纹扩展速度很快进入中速扩展阶段，当裂纹扩展深度约
试样进行轴材质的机械性能分析。拉伸试验在WAW－Y500 试验机上进行，冲击试验在WPM3000 型 试验机上进行。表3 给出了机械性能试验结果。
2
表3 机械性能测试结果
中 国取拉伸试样粗端未变形部，在横截面上做金相检验，其结果为：车轴的晶粒度为5 级，标准
要求为5~8 级，晶粒度照片见图2；组织中的氧化物夹杂为2 级，硫化物夹杂为2 级，标准分别要
轴承失效模式分类与分析方法
1 轴承失效的基本模式轴承失效一般可分为止转失效和丧精失效两种。
止转失效就是轴承因失去工作能力而终止转动。
例如卡死、断裂等；丧精失效就是轴承因几何尺寸变化了配合间隙，失去了原设计要求的设计精度，虽尚能继续转动，但属非正常运转。
例如磨损、腐蚀等。
按损伤机理大致可分为:接触疲劳失效;磨擦磨损失效;断裂失效;变形失效;腐蚀失效、和游隙变化失效等几种基本模式。
1.1接触疲劳失效接触疲劳失效是各类轴承表面最常见的失效模式之一，是轴承表面受到交变应力的作用而产生的失效。
接触疲劳剥落在轴承表面也有疲劳裂纹的萌生、扩展和断裂的过程。
初始的接触疲劳裂纹首先从接触表面以下最大正交切应力处产生，然后扩展到表面形成剥落，如麻点状的称为点蚀或麻点剥落;剥落成小片状的称浅层剥落。
初始裂纹在硬化层与心部交界区产生，造成硬化层的早期剥落则称为硬化层剥落。
1.2 磨损失效轴承零件之间相对滑动摩擦导致其表面金属不断损失的现象称为磨损。
持续的磨损使零件尺寸和形状变化，轴承配合间隙增大，工作表面形貌变坏从而丧失旋转精度，使轴承不能正常工作，称为轴承的磨损失效。
磨损失效也是各类轴承表面最常见的模式之一，按其磨损形式可分为磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损、微动磨损和疲劳磨损等。
其中最常见的为磨粒磨损和粘着磨损。
轴承零件的摩擦面之间挤入外来硬颗粒或金属表面的磨屑，引起摩擦面磨损的现象称为磨粒磨损。
它常在轴承表面造成凿削式或犁沟式的擦伤。
外来硬颗粒常常来自于空气中的灰尘或润滑剂中的杂质。
粘着磨损主要是由于摩擦表面的显微突起或摩擦异物使摩擦面受力不均，局部摩擦热有可能使摩擦面形成显微焊合。
摩擦表面温升高，会造成润滑油膜破裂，严重时表面层金属将会局部熔化，接触点产生粘着、撕脱、再粘着的循环过程，构成粘着磨损。
严重的粘着磨损会造成摩擦面的焊合和卡死。
1.3 断裂失效轴承零件断裂将会造成突发性失效事故。
轴承断裂的主要原因是过载和缺陷两大因素。
由于外加载荷超过轴承零件材料的强度极限，造成轴承零件断裂就称过载断裂。
泵轴断裂原因分析及预防
《装备维修技术》2021年第2期—67—泵轴断裂原因分析及预防赵 鹏（哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000）本文主要探讨的轴泵是某蒸馏装置减压塔顶的吸气泵，又被称为减顶泵，此泵在 运行22个月后，泵轴发生断裂，减顶泵的实际使用寿命明显低于设计寿命，因此对泵轴失效的原因进行分析，探究泵轴断裂的原因，进而制定有效地解决策略，此泵原材料为3Cr13马氏体不锈钢，经过燃烧锻造，对泵轴进行调质处理，转速可以达到每分钟3000转，此泵轴在运转过程中，需要承受轴承间的旋转交变的荷载性能，键槽的底部存在腐蚀的断裂坑。
1材质和性能检验1.1外观检查 由于受油品中腐蚀介质的腐蚀作用，在轴的断裂部位及其附近的外表面，形成了许多沿外表面环，向密集分布的大小与深度不等的蚀坑；在泵轴断裂部位处，键槽的根部成尖角。
1.2化学成分 泵轴的化学成分见表1，性能失效的轴泵化学成分符合国家规定的不锈钢成分标准。
1.3机械性能检验 对失效轴泵纵向切取样本，通过机械加工，制成光滑圆柱冲压样本，针对表2泵轴机械性能及标准值，失效轴泵在常温在，机械性能符合国家规定标准。
1.4金相检验1.4.1非金属夹杂质校验对失效泵轴非金属夹杂质进行校验，断口附近成分为铁的氧化物和铬的氧化物。
铁氧化物呈淡褐色，铬的氧化物呈暗灰色，形态为粗大的圆球状，校验的级别都大于5级，在相关数值的规定内，要求非金属夹杂质，二者校验的级别不能超过5.5，若检验结果显示非金属夹杂质在断口成聚集点状分布，泵轴的质量较差。
1.4.2晶粒度校验对泵轴中的晶粒度进行校验，校验结果显示，晶粒形态大小均匀，晶粒度的等级可达到7级，时效泵轴校验在室温下进行。
1.4.3显微组织校验通过显微镜组织校验，轴泵的整体材料均为马氏体不锈钢材料，其中含有少量的粒状碳化物而退火下的轴泵，在显微镜下，泵轴的结构组织为粒状的珠光体，组织结构周边为断续网状分布的碳化物，发生断裂是由于泵轴淬火加温时间过短，温度过低造成断口，粒状珠光体中的碳化物全部溶出，通过高温调质后，保留着退火后的碳化物，则证明显微镜组织检验不符合要求标准。
半轴断裂失效分析
「材料：生产与工艺)信息记录材料2019年5月 第20卷第5期半轴断裂失效分析何智慧 郭洪飞"(通讯作者)，刘霞'，王克山'，王思明5,周(1珠海市横琴新区建设工程质量检测中心有限公司 广东(2暨南大学 物联网与物流工程研究院 广东 珠海(3内蒙古工业大学材料学院 内蒙古 呼和浩特(4广东富华铸锻有限公司广东江门 5 2 9 1 4 7 )弈2,伦毅涛2,陈秋帆2珠海 5 1 9 031 )5 1 9 07 0 )01 005 1 )(5珠海格力电器股份有限公司 广东 珠海 5 1 9 07 0 )(6内蒙古北方重工业集团有限公司理化检测与失效分析中心 内蒙古 包头 0 1 4 000)【摘要】断裂半轴所用材料为ZG29MnMoNi.对断裂半轴进行宏观观察、化学成分、力学性能检测和金相检验等试验。
结果表明：半轴的失效性质为疲劳断裂.【关键词】半轴；断裂；原因分析【中图分类号】TH17 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5624 ( 2019 ) 05-0062-021引言ZG29MnMoNi 是大型铸件用低合金铸钢。
其中Mn 能提高钢的屈服强度⑴、Mo 使钢具有红硬性、Ni 在提高钢的强度和硬度的同时还能保持良好的韧性⑵。
但是轴类零件在使用前都要进行调质处理，以便达到优良的综合性能。
2实验半轴材料为ZG29MnMoNio 加工过程为：铸造〜热处理 一粗加工〜表面淬火f 低温回火〜精磨，在运行18000个小时后发生断裂。
3实验过程与结果3. 1断口宏观观察断裂半轴宏观形貌如图1所示，肉眼可见在断口外表面处有一明显的亮斑点及从亮斑点向内表面呈弧线推进的扩展裂纹，断口较光滑平坦，将断口断裂源局部放夫，断 裂源呈圆形，是疲劳破坏的起点，疲劳扩展区存在不致密的孔洞。
图1半轴宏观形貌3. 2化学成分分析在半轴上取样进行化学成分分析，结果见表1。
表1化学成分分析结果(％)CMn Si S P Cr Cu Ni Mo Al 断裂轮毂 0.24 1.22 0.31 0.008 0.015 0.18 0.11 0.38 0.15 0.0173. 3力学性能检测 在半轴上取样进行力学性能检测，结果见表2。
滚动轴承轴承失效的原因分析
滚动轴承轴承失效的原因分析滚动轴承是一种常用的机械元件，用于支撑旋转或摆动的轴，以减小摩擦和支撑负荷。
然而，由于各种原因，滚动轴承可能会出现失效的情况。
本文将就滚动轴承失效的原因进行分析。
1.疲劳失效：疲劳失效是滚动轴承最常见的失效类型之一、由于长期使用和负荷的变化，滚动轴承内部的应力会不断积累，从而导致失效。
这种失效通常表现为轴承的裂纹、变形或断裂。
2.磨损失效：由于外部污染物（如灰尘、金属碎屑等）的进入或润滑不良，轴承表面可能会发生磨损。
当磨损过度时，轴承的摩擦系数会增加，从而导致轴承失效。
3.轮辋间隙过大：轮辋间隙过大是滚动轴承失效的一个重要原因。
当轮辋间隙过大时，轴承无法正常支撑负荷，从而导致失效。
4.温度过高：高温会导致轴承的材料变形和润滑油的降解，从而降低轴承的工作效率。
当温度过高时，轴承内部可能会出现润滑不良和疲劳失效。
5.润滑不良：滚动轴承需要适量的润滑油或润滑脂来减小摩擦和磨损。
当润滑不良时，轴承可能会发生过度磨损、卡死或疲劳失效。
6.负荷过大：如果滚动轴承所承受的负荷超过了其承载能力，轴承可能会变形、磨损或疲劳失效。
7.安装误差：滚动轴承的安装误差也是轴承失效的一个重要原因。
当轴承安装不平衡、偏斜或受到不良的外力作用时，轴承可能会变形或断裂。
8.振动和冲击：强烈的振动和冲击也会导致滚动轴承失效。
这些外部力量可能会导致轴承断裂、变形或磨损。
综上所述，滚动轴承失效的原因有很多，包括疲劳失效、磨损失效、轮辋间隙过大、温度过高、润滑不良、负荷过大、安装误差、振动和冲击等。
为了延长滚动轴承的使用寿命，需要注意轴承的润滑、安装和使用条件，并及时检测和处理问题。
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结论
4. 此被动轴断裂为四段是一次性断裂所致。 5. 至于超载的原因，根据现有的分析结果及资料，尚无 法给出唯一的结论，但可以得出如下两个推断。 （l）被动轴外表面的挤压伤痕（见图8）恰好位于装配 7224和42224轴承的轴肩处由此可以认为，此伤痕是由于 轴承破碎后挤压造成的（因在现场仅找到三个破损的轴 承滚子，未找到其余的滚子和轴承内外环残体）；从而 可进一步认为，超载是由于破碎轴承的嵌入和挤压作用 而导致正常运转的被动轴骤然停转所致。 （2）被动轮动力输出端出现异常负载。
1. 被动轴断裂失效分析
1.1 委托方提供的原始资料
1）断裂被动轴（四段）。 2）7224轴承滚子1个，42224轴承滚子2个。 3）该轮设计计算书1份。 4）该轴冷、热加工工艺。热处理工艺为：850℃淬火（油冷），150℃回火
3小时，热处理后硬度规定为：HB444～321。 5）该轴装配及零件图纸2张。
1.2.2 显微组织分析
光学显微镜的观察结果表明，该轴的显微组织比较均匀，从铀的外表面 至内表面均为回火马氏体组织。图2a、b分别为该轴横截试样内表面附近 和中间区域处的显微组织光学照片。这种板条马氏体经过扫描电镜观察 得到进一步证实，见图3a和b。
a)
b)
图4.1 被动轴的显微组织光学照片 500× a) 内表面附近区域； b）中间区域
图4.3 该轴断裂后经拼合的全貌
图4.4 该轴动力输入端花键部分的扭曲变形
图4.5 沿螺旋面扩展而形成的断口
图4.6 该轴安装轴承处的轴外表面的挤压伤痕
2) 断口分析 由断口的宏观照片（图4.7 和4.8 ）可见，断口呈现明显的放射状条纹，且 快速扩展区的断口比较粗糙，见图4.9 。根据放射状条纹的走向，最后确定裂 纹起源于油孔与轴外表面的交角处，见图4.10和图4.7、4.8。由图4.10可见，断 口上有两个裂纹源，它们分别位于油孔的两侧。裂纹由此两处启裂，继而沿 螺旋面分别向两侧扩展，直至最后断裂成四段。
439
439
439
445
445
433
422
硬度测试结果表明，硬度在该轴径向分布较均匀，硬度值均符合图纸技术要 求(321.16.017中规定)。轴承滚子硬度测试结果如下：
滚子类型
7224
63.0
42224
61.5
62.5 61. 0
硬度值(HRC) 61.5 61. 0
62.5 60. 5
平均值(HRC)
某国炮弹试射的炸膛事故
• 引例
• 产品失效的后果是引发事故，甚至重大或 灾难性的事故，造成生命财产的巨大损失。
• 美国挑战者号航天飞机第10次飞行故障。 航天飞机起飞1分钟后爆炸，这次爆炸使航 天飞机顷刻之间化为灰烬，机毁人亡，7名 宇航员全部遇难。事故原因是右侧固体火 箭助推器尾部连接处的密封垫圈失效。
• 机械产品失效分析是一门新的跨学科的综合性技 术。它研究失效的形式、机理，并提出预测和预 防失效的措施。
• 失效分析涉及学科领域广：机械设计，工艺学， 材料学，无损检测，工程力学，断口学，断裂力 学，腐蚀化学，摩擦学，质量管理等等。
• 掌握各种工程材料的特性，正确地选择和使用材 料是从事机械设计与制造的工程技术人员的基本 要求，因为选材是否合理直接关系到产品质量和 经济效益。大量事实证明许多机器的重大质量事 故也都来源于选材问题，因此掌握选材方法的要 领，了解正确选材的过程是十分必要和有实际意 义的。随着科学技术的发展，选材工作正向科学 化和规范化发展。
图4.7 断口的宏观照片
图4.9 断口的宏观照片
图4.10 断口的宏观照片 图中注示处为启裂点(裂纹源)
图4.8 断口的宏观照片
在裂纹源附近可以观察到较小的平滑区域。经扫描电镜高倍观察，发 现在裂纹源附近区域有疲劳条纹，见图4.11。在远离裂纹源处的断口 主要以韧窝型为主，参见图4.12。
a 2400×
61.5
62.2
62. 0
61. 2
2、强度指标 3、韧性指标
σb＝1790MPa σs＝1280MPa δ＝10.8% ak＝5.15kg·m/cm2
4、断裂与断口分析 1）断裂分析 图4是此轴断裂后经拼合的全貌照片，整个轴已断裂为四段。可以发现，该 轴动力输入端部分曾因承受异常载荷而发生严重扭曲，这说明该轴在断裂 前已发生明显的塑性变形，见图4.3。
b 3600×
图4.11 裂纹源附近区域断口的疲劳条纹（SEM照片）
a
b
图4.12 快速扩展区的韧窝型断口（SEM照片）600×
结论
1. 根据计算，能使被动轴动力输入端花键部分产生扭转 塑性变形的最小扭矩应当为：21000kg·m，此为设计力矩 （4744kg·m）的4.4拖倍。因此，断裂前输入端花键部分 发生塑性变形说明该轴承受了异常的突加载荷。超载导 致被动轴断裂，这是本次事故的主要原因。 2. 经分析测试，该轴用材的化学成份及热处理后的硬度 均符合生产图纸（32.16.017）技术要求。 3. 在裂纹启裂点附近有疲劳区，但根据断裂前花健部分 的塑性变形可以判断，此疲劳裂纹尚未达到该轮在正常 运行条件下发生失稳扩展的临界尺寸。
“ 挑战者” 号航天飞机
1986年1月28日失事
• 1979年9月7日我国某电化厂氯气车间 的液氯瓶爆炸，使10t氯液外溢扩散， 波及范围达7.35平方公里，致使59人 死亡，779人中毒，直接损失达63万元。
• 1972年10月，一辆由齐齐哈尔开往富 拉尔基的公共客车，行使至嫩江大桥
时因过小坑受到震动，前轴突然折断， 致使客车坠入江中，造成28人死亡。
a)
b)
图4.2 该被动轴的显微组织扫描电镜照片 1200×
1.2.3 机械性能测试
1、硬度 测试该轴的硬度在径向上的分布，其结果如下：
距外表面径向距离(mm)
2.0
7.0
13.0
19.5
24.5
29.0
33.0
硬 度(HRC)
46.5 46.5
46.5Biblioteka 47.047.046.0
45.0
相 当 于(HB)
1.2 观察与分析
1.2.1 化学成份分析
在已断裂的被动轴上取样，经化学分析其成份如下：
C Si Mn 0.23 0.36 0.38
P S Cr Ni / 0.011 1.25 3.45
上述分析结果与 GB3077－82 中的 20Cr2Ni4A 钢的化学成份 相符，该轴选材符合图纸（321.16.017）技术要求。