理化檢驗
1.1 宏觀分析
發生失效的拉桿球鉸軸承材料為304不銹鋼，型號為SA16t/K-F。受電弓拉桿球鉸軸承安裝示意圖如圖1所示。
圖1 受電弓拉桿球鉸軸承安裝示意圖
受電弓球鉸失效部件宏觀形貌如圖2所示，兩枚失效部件分別標記為1號和2號。失效部件為同一件拉桿的兩部分，拉桿兩端各擰入一件關節球鉸軸承，球鉸桿體材料為0Cr18Ni9鋼。
圖2 失效球鉸軸承宏觀形貌
圖3所示為1號球鉸軸承殘件宏觀形貌，可見外圈斷裂且嚴重變形，兩處斷裂位置分別標記為1-1和1-2，1-1處斷面可見斷口學特征，1-2處斷裂位置可見明顯的金屬熔化痕跡，球鉸外圈斷裂變形后，1-2端由于高壓接地短路而熔化，故將1-1斷口作為重點分析對象。
圖3 1號球鉸軸承殘件宏觀形貌
圖4所示為受電弓拉桿裝配示意圖，斷裂位置如圖中箭頭所示，經分析可知，正常服役狀態下桿端關節軸承(球鉸)主要承受拉伸載荷及內圈轉動引起的輕微彎曲載荷作用。
圖4 受電弓拉桿裝配示意圖
1.2 斷口分析
圖5所示為1-1處斷口低倍形貌，斷裂起源于軸承外圈與桿部過渡圓角處，斷口表面平整，未發現明顯的磨損或銹蝕現象，左上部可見金屬附著物。將斷口分為A，B，C，D等4個區域進一步觀察。
圖5 1-1處斷口低倍形貌
圖6所示為球鉸未斷裂圓角處低倍形貌，可見其上存在明顯機加工刀痕。
圖6 未斷裂圓角處低倍形貌
圖7所示為A區微觀形貌，可見明顯的輪輻狀臺階及磨損痕跡。圖8為B區微觀形貌，可見存在明顯疲勞輝紋，此區域為疲勞裂紋擴展區。圖9所示為斷面C區微觀形貌，可見明顯的韌窩形貌，該區域寬度約為0.3mm，為最終斷裂區。圖10所示為D區低倍形貌，可見斷面上的附著物呈球狀及濺射狀，應為電屬熔滴飛濺到斷面上所致。圖11所示為A區附近外表面的微觀形貌，可見明顯的犁溝狀加工刀痕及微裂紋。
圖7 斷面A區微觀形貌
圖8 斷面B區微觀形貌
圖9 斷面C區微觀形貌
圖10 斷面D區低倍形貌
圖11 A 區附近外表面微觀形貌
1.3 金相檢驗
截取斷口附近縱向試樣進行金相檢驗，未發現明顯的低倍缺陷。圖12所示為球鉸未斷裂側圓角處低倍組織形貌，經測量圓角半徑約為5.1mm，符合圖紙設計要求(5mm)，但圓角過渡不平滑，存在明顯的折角(圖中箭頭所示)，該折角半徑約為0.21mm。
圖12 未斷裂圓角處低倍組織形貌
圖13所示為斷口附近的縱向顯微組織形貌，可見斷口起源處表面存在一條弧形的微裂紋(箭頭所示)，主裂紋與二次裂紋均從該微裂紋處萌生，近表面顯微組織存在滑移帶和形變誘發馬氏體，心部組織為奧氏體。
圖13 斷口附近縱向顯微組織形貌
圖14所示為斷口處縱向顯微組織形貌，通過掃描電鏡觀察到裂紋主要以穿晶方式擴展，無明顯分支裂紋。
圖14 斷口處縱向顯微組織形貌
檢測的球鉸中非金屬夾雜物形貌，根據GB/T 10561—2005《銅中非金屬夾雜物含量的測定——標準評級圖顯微檢驗法》規定，判定為A 類硫化物(細系)1級，B類氧化鋁(細系)1.5級，D類球狀氧化物(細系)1.5級。
1.4 硬度測試
選取試樣斷裂起源處4個區域(I區，II區，III區，IV區)進行硬度測試，測試位置如圖15所示，硬度結果見表1?？梢姅嗫谶吘壍挠捕冗h遠高于心部硬度，說明零件外表面經過機械加工后形成了明顯的加工硬化。
圖15 硬度測試位置示意圖
表1 各區域硬度測試結果
1.5 化學成分分析
采用直讀光譜儀對斷裂試樣進行化學成分分析，其化學成分符合GB/T 1220—2007《不銹鋼棒》中對0Cr18Ni9不銹鋼的成分要求。
分析與討論
斷裂球鉸軸承的斷口宏觀形貌表明，斷裂發生于關節軸承與螺紋桿部過渡圓角處，斷面平整但表面附著金屬熔滴，說明發生斷裂在先，金屬熔化在后。斷裂源外側存在明顯的機加工痕跡和微裂紋，試樣未斷裂側過渡圓角部位低倍形貌同樣可見明顯的加工刀痕，說明該試樣過渡圓角最終加工工藝為車加工，且加工完成后未進行打磨處理，致使其表面殘留明顯的加工刀痕和微裂紋，并引起表面加工硬化。
通過金相檢驗分析可知，斷口起源處表面可見一條弧形微裂紋，主裂紋與二次裂紋均從該微裂紋處萌生，近表面顯微組織存在形變而誘發馬氏體，心部組織為奧氏體，表面與心部組織存在顯著區別。通過硬度測試結果可知，球鉸表面硬度遠遠高于心部硬度，該現象與顯微組織特征一致。斷口電鏡觀察顯示，斷面微觀形貌可見明顯的疲勞輝紋，輝紋間距較窄，且終斷區面積不足整個斷面面積的10%，呈現典型的高周低應力疲勞斷裂特征。低倍組織顯示，過渡圓角半徑雖然符合圖紙要求，但圓角過渡不順暢，存在半徑約0.2mm的折角。
結合斷口形貌與金相檢驗可知，機加工導致球鉸軸承近表面組織嚴重變形并誘發馬氏體相變，同時形成折角和大量微裂紋，在斷裂源區表面形成明顯的應力集中區，球鉸軸承服役過程中承受頻繁的振動和交變載荷作用，折角處的微裂紋成為疲勞裂紋萌生的源區，裂紋在交變載荷作用下不斷擴展，最終導致球鉸軸承失穩斷裂。
結論及建議
該受電弓球鉸軸承的斷裂屬于高周低應力疲勞斷裂。球鉸軸承服役過程中承受頻繁的振動和交變載荷作用，折角處的微裂紋成為疲勞裂紋萌生的源區，裂紋在交變載荷作用下不斷擴展，最終導致球鉸軸承失穩斷裂。
建議在電動受電弓拉桿軸承選型時，選擇強度較高，質量可靠廠家生產的軸承。檢查球鉸軸承是否存在可視裂紋，軸承外觀是否存在明顯加工刀痕，使用X射線檢測軸承是否存在制造缺陷。
作者：董雪春
單位：上海申凱公共交通運營管理有限公司
來源：《理化檢驗-物理分冊》2024年第4期
