理化检验
1.1 宏观分析
发生失效的拉杆球铰轴承材料为304不锈钢，型号为SA16t/K-F。受电弓拉杆球铰轴承安装示意图如图1所示。
图1 受电弓拉杆球铰轴承安装示意图
受电弓球铰失效部件宏观形貌如图2所示，两枚失效部件分别标记为1号和2号。失效部件为同一件拉杆的两部分，拉杆两端各拧入一件关节球铰轴承，球铰杆体材料为0Cr18Ni9钢。
图2 失效球铰轴承宏观形貌
图3所示为1号球铰轴承残件宏观形貌，可见外圈断裂且严重变形，两处断裂位置分别标记为1-1和1-2，1-1处断面可见断口学特征，1-2处断裂位置可见明显的金属熔化痕迹，球铰外圈断裂变形后，1-2端由于高压接地短路而熔化，故将1-1断口作为重点分析对象。
图3 1号球铰轴承残件宏观形貌
图4所示为受电弓拉杆装配示意图，断裂位置如图中箭头所示，经分析可知，正常服役状态下杆端关节轴承(球铰)主要承受拉伸载荷及内圈转动引起的轻微弯曲载荷作用。
图4 受电弓拉杆装配示意图
1.2 断口分析
图5所示为1-1处断口低倍形貌，断裂起源于轴承外圈与杆部过渡圆角处，断口表面平整，未发现明显的磨损或锈蚀现象，左上部可见金属附着物。将断口分为A，B，C，D等4个区域进一步观察。
图5 1-1处断口低倍形貌
图6所示为球铰未断裂圆角处低倍形貌，可见其上存在明显机加工刀痕。
图6 未断裂圆角处低倍形貌
图7所示为A区微观形貌，可见明显的轮辐状台阶及磨损痕迹。图8为B区微观形貌，可见存在明显疲劳辉纹，此区域为疲劳裂纹扩展区。图9所示为断面C区微观形貌，可见明显的韧窝形貌，该区域宽度约为0.3mm，为最终断裂区。图10所示为D区低倍形貌，可见断面上的附着物呈球状及溅射状，应为电属熔滴飞溅到断面上所致。图11所示为A区附近外表面的微观形貌，可见明显的犁沟状加工刀痕及微裂纹。
图7 断面A区微观形貌
图8 断面B区微观形貌
图9 断面C区微观形貌
图10 断面D区低倍形貌
图11 A 区附近外表面微观形貌
1.3 金相检验
截取断口附近纵向试样进行金相检验，未发现明显的低倍缺陷。图12所示为球铰未断裂侧圆角处低倍组织形貌，经测量圆角半径约为5.1mm，符合图纸设计要求(5mm)，但圆角过渡不平滑，存在明显的折角(图中箭头所示)，该折角半径约为0.21mm。
图12 未断裂圆角处低倍组织形貌
图13所示为断口附近的纵向显微组织形貌，可见断口起源处表面存在一条弧形的微裂纹(箭头所示)，主裂纹与二次裂纹均从该微裂纹处萌生，近表面显微组织存在滑移带和形变诱发马氏体，心部组织为奥氏体。
图13 断口附近纵向显微组织形貌
图14所示为断口处纵向显微组织形貌，通过扫描电镜观察到裂纹主要以穿晶方式扩展，无明显分支裂纹。
图14 断口处纵向显微组织形貌
检测的球铰中非金属夹杂物形貌，根据GB/T 10561—2005《铜中非金属夹杂物含量的测定——标准评级图显微检验法》规定，判定为A 类硫化物(细系)1级，B类氧化铝(细系)1.5级，D类球状氧化物(细系)1.5级。
1.4 硬度测试
选取试样断裂起源处4个区域(I区，II区，III区，IV区)进行硬度测试，测试位置如图15所示，硬度结果见表1。可见断口边缘的硬度远远高于心部硬度，说明零件外表面经过机械加工后形成了明显的加工硬化。
图15 硬度测试位置示意图
表1 各区域硬度测试结果
1.5 化学成分分析
采用直读光谱仪对断裂试样进行化学成分分析，其化学成分符合GB/T 1220—2007《不锈钢棒》中对0Cr18Ni9不锈钢的成分要求。
分析与讨论
断裂球铰轴承的断口宏观形貌表明，断裂发生于关节轴承与螺纹杆部过渡圆角处，断面平整但表面附着金属熔滴，说明发生断裂在先，金属熔化在后。断裂源外侧存在明显的机加工痕迹和微裂纹，试样未断裂侧过渡圆角部位低倍形貌同样可见明显的加工刀痕，说明该试样过渡圆角最终加工工艺为车加工，且加工完成后未进行打磨处理，致使其表面残留明显的加工刀痕和微裂纹，并引起表面加工硬化。
通过金相检验分析可知，断口起源处表面可见一条弧形微裂纹，主裂纹与二次裂纹均从该微裂纹处萌生，近表面显微组织存在形变而诱发马氏体，心部组织为奥氏体，表面与心部组织存在显著区别。通过硬度测试结果可知，球铰表面硬度远远高于心部硬度，该现象与显微组织特征一致。断口电镜观察显示，断面微观形貌可见明显的疲劳辉纹，辉纹间距较窄，且终断区面积不足整个断面面积的10%，呈现典型的高周低应力疲劳断裂特征。低倍组织显示，过渡圆角半径虽然符合图纸要求，但圆角过渡不顺畅，存在半径约0.2mm的折角。
结合断口形貌与金相检验可知，机加工导致球铰轴承近表面组织严重变形并诱发马氏体相变，同时形成折角和大量微裂纹，在断裂源区表面形成明显的应力集中区，球铰轴承服役过程中承受频繁的振动和交变载荷作用，折角处的微裂纹成为疲劳裂纹萌生的源区，裂纹在交变载荷作用下不断扩展，最终导致球铰轴承失稳断裂。
结论及建议
该受电弓球铰轴承的断裂属于高周低应力疲劳断裂。球铰轴承服役过程中承受频繁的振动和交变载荷作用，折角处的微裂纹成为疲劳裂纹萌生的源区，裂纹在交变载荷作用下不断扩展，最终导致球铰轴承失稳断裂。
建议在电动受电弓拉杆轴承选型时，选择强度较高，质量可靠厂家生产的轴承。检查球铰轴承是否存在可视裂纹，轴承外观是否存在明显加工刀痕，使用X射线检测轴承是否存在制造缺陷。
作者：董雪春
单位：上海申凯公共交通运营管理有限公司
来源：《理化检验-物理分册》2021年第4期
