025-84467666
轴承知识
滚动轴承失效分析概论
2010-06-30作者：赵传国
（洛阳轴承研究所）
（洛阳轴承研究所）
轴承在工作中丧失其规定功能，从而导致故障或不能正常工作的现象称为失效。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。由此可见，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，又有实用性。所谓综合性表现在它涉及面很广，包括产品的结构设计、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、金属物理和表面物理等广泛的学科领域和技术门类。失效分析技术必须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。它的积极意义在于：(1)可以分析出轴承失效的主要原因，提出改进措施，不断提高轴承产品的质量。(2)可以判断设计是否合理，纠正某些不尽合理的方面以提高轴承产品的可靠性。(3)可以发现轴承零件在冷、热加工中存在的问题。纠正不合理的加工工艺。(4)可以判断材料选择的合理性及原材料质量存在的间题。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。
本文的探讨将以滚动轴承的失效为主。
一、轴承失效的表现形式
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。丧精失效就是因几何尺寸变化了配合间隙，失去了原设计要求的回转精度，虽尚能继续转动，但属非正常运转。例如磨损、腐蚀等。轴承失效的影响因素很复杂，而且各类轴承的工作条件和失效因素的差异，产生的失效形式和形貌特征亦各不相同。按其损伤机理大致可分为：接触疲劳失效、摩擦磨损失效、断裂失效、变形失效、腐蚀失效和游隙变化失效等几种基本形式。
1.接触疲劳失效
接触疲劳失效是各类轴承表面Z常见的失效形式之一，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Z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。
2.磨损失效
轴承零件之间相对滑动摩擦导致表面金属不断损失的现象称为磨损。持续的磨损将使零件尺寸和形状变化，轴承配合游隙增大，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Z常见的失效形式之一，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Z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，构成粘着的磨损.严重的粘着磨损会造成摩擦面的焊合和卡死。
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强度极限，造成轴承零件断裂就称过载断裂。过载的原因可能是主机故障，也可能是轴承的结构或安装不合理。另外.轴承零件存在着微裂纹、缩孔、气泡和大块外来夹杂物等缺陷，在正常载荷作用下，也会在缺陷处引起断裂，称为缺陷断裂。
轴承套圈和滚动体经锻造、热处理和磨加工过程中产生的过热、过烧、局部烧伤和表面裂纹就可能会引起轴承的断裂失效。特别是磨削烧伤检查时不易发现，有磨削烧伤的套圈一受冲压或振动就可能断裂。
4.塑性变形失效
在外力和环境温度作用下.轴承零件表面局部塑性流动或整t、变形，致使整套轴承不能正常工作而造成的失效称为变形失效。例如保持架翘曲、歪扭、兜孔拉长或框形保持架变形、靠套瓷都会造成轴承的早期失效。另外轴承摩擦表面塑性划痕也会引起振动和噪声增大、温度升高，从而加速轴承的早期失效。
5.腐蚀失效
轴承零件金属表面同环境介质发生化学或电化学反应，造成的表面损伤和轴承的失效称为腐蚀失效。能对轴承零件表面起化学作用的环境介质有大气、湿气、燃料和润滑油的氧化产物(酸类、酮类、乙醇等)以及氧化产物的蒸气等。
通常轴承表面腐蚀可以分为电介质腐蚀、有机酸腐蚀、其他介质腐蚀(如润滑油中含有硫化物)和电流腐蚀等。
腐蚀在轴承零件金属表面造成氧化膜或腐蚀孔洞，使表面呈现局部或全部变色。硬脆松散的氧化膜和腐蚀反应物在载荷作用下剥落，轴承表面生成蚀坑或造成工作表面粗化、进而形成腐蚀磨损或腐蚀疲劳失效。
6.游隙变化失效
轴承在工作过程中，受外界或内在因素变化的影响，改变了原有的配合间隙.使精度降低，甚至造成咬死的现象，称为游隙变化失效。
轴承零件的金相组织(例如残留奥氏体)和应力如果均处于不稳定状态，随着时间的延长其尺寸会产生变化，使轴承丧失运转精度。由于轴承零件的尺寸与形状不同，膨胀系数或膨胀量不同，在超常温下工作就会造成轴承工作游隙变化，轴承也会因失去运转精度造成早期失效。
二、影响轴承失效的因素
轴承失效的原因往往是多因素的，所有设计制造过程的影响因素都会与轴承的失效有关，分析起来不易判断。在一般情况下可以从外来因素和内在因素两方面考虑和着手分析。
外来因素主要是指安装调整、使用保养及维护修理等是否符合技术要求。因而也称之为使用因素。
安装条件是使用因素中的首要因素产一，轴承往往因安装的不合适而导致整套轴承各零件之间的受力状态发生变化，轴承将在不正常的状态下运转并提早失效。根据轴承安装、使用、维护和保养的技术要求，对运转中的轴承所承受的载荷、转速、工作温度、振动噪声和润滑条件进行监控和检查。发现异常立即查找原因，进行调整，使其恢复正常。对润滑剂质量和周围介质、气氛进行分析检验也很重要。尤其是润滑剂的正确使用对延长轴承的使用寿命是至关重要的。德国的研究者Koch在Z近泊勺研究中指出：轴承的寿命与载荷、油的活度和润滑剂条件有关，而其增长可能是无限的。按系数n(当n=1时活度Z大)评定的润滑油没有污垢具有特别的意义，在良好的(厚油膜、高洁度)和恶劣的(薄油膜、有污垢)条件下工作的轴承寿命比为400：1。可见正确的润滑在轴承寿命中是很重要的。
内在因素主要是指设计、制造工艺和材料质量等决定轴承质量的三大要素。也可称之为制造质量因素。
为了提高轴承的寿命和可靠性，人们围绕着上述三要素，做了大量的研究工作。首先，结构设计不合理当然不可能有合理的轴承寿命；仅有结构设计的合理性而不考虑先进性也不会有较长的轴承寿命；只有结构设计同时具有合理性和先进性，才会有较长的轴承寿命。
轴承制造要经过铸造、锻造、热处理、车削、磨削和装配等多种加工工序。各种加工工艺的合理性、先进性和稳定性也都会影响到轴承的寿命和失效分析。尤其是直接影响成品轴承质量的热处理和磨加工工艺，往往与轴承的失效有更直接的关系。近年来对轴承工作表面变质层的研究，能够说明磨削工艺与轴承工作表面质量的密切关系。
轴承材料的冶金质量曾经是滚动轴承早期失效的主要影响因素。随着冶金技术(轴承钢的真空脱气等)的提高，原材料质量得到改善。原材料质量在轴承失效分析中所占的比重己经明显下降，但至今仍然是轴承失效的主要影响因素之一。
轴承失效分析的主要任务，就是根据大量的背景材料、分析数据和失效的形式，综合分析，找出造成轴承失效的主要影响因素，以便有针对性地提出改进措施，延长轴承的服役期，避免轴承突发性的早期失效。
三、轴承失效的分析方法
在轴承失效分析过程中，往往会碰到许多错综复杂的现象，各种实验结果可能是相互矛盾的，或者主次不易分清，这就需要经过反复试验、验证，以获得足够的证据或反证。在整个分析过程中，只有运用正确的分析方法、程序及步骤，才能找到真正的失效原因，得到正确的结论。失效分析工作者广博的基础知识、丰富的实践经验和先进的分析手段都是非常重要的。一个训练有素的轴承失效分析工作者，在作失效分析时必须从影响轴承寿命的外部条件因素到内在质量因素给予综合分析，尽快地确认分析的主要程序。
一般情况下轴承失效分析大体可分为：失效实物和背景资料的收集；对失效实物的宏观检查和微观分析等三个步骤。
1.失效实物和背景材料的收集
应该尽可能地收集到失效实物的各个零件和残片。尽量多地了解到失效轴承的实际工作条件、使用过程和制造质量情况。这对于正确地进行失效分析是必不可少的。它具体包括以下的内容：
(1)轴承所服役的机器设备的工作状况、载荷和运行速度。轴承在设备上的设计工作条件。
(2)轴承失效的情况。只有轴承失效还是其他部分也失效，轴承失效属于什么类型。
(3)轴承的安装运转记录。运转使用过程中有无不正常操作。
(4)轴承工作中所承受的真正载荷情况如何，是否符合原设计。
(5)轴承工作的实际速度及不同速度出现的频率。
(6)失效时是否有温度的急剧增加或冒烟、噪声及振动的突然增大。
(7)工作环境中有无腐蚀性介质，轴承及其相接触的轴颈处有无特殊的表面氧化色或其他沾污色。
(8)轴承的安装记录(包括安装前轴承尺寸精度的复检情况)，轴承和轴承的游隙、装配和对中情况，轴承座和机架刚性如何，安装是否有异常。
(9)轴承运转是否有热膨胀及动力传递变化。
(10)轴承的润滑情况，包括润滑剂的牌号、成分、颜色、粘度、杂质含量、过滤、更换及供给情况等，并收集其沉淀物作分析。
(11)轴承的选材是否正确，用材质量是否符合标准或图纸要求。
(12)轴承的制造工艺过程是否正常，表面是否有塑性变化，有没有表面磨削烧伤。
(13)失效轴承的修复和保养记录。
(14)同批或同类轴承的失效情况。
在实际的失效分析背景材料收集工作中，全部满足上述要求是很难的。但收集到的资料愈多，无疑会更有利于分析结论的正确。
2.宏观检查
对失效轴承进行宏观检查(包括尺寸精度测量和表面状态检查分析).是失效分析Z重要的环节。总体的外观检查，可了解轴承失效的概貌和损坏部位的特征，估计造成失效的起因，察看缺陷的大小、形状、部位、数量和特征并确定截取的部位做进一步的微观检查和分析。宏观检查的内容应包括：
(1)外形和尺寸精度的变化情况(包括测振分析、动态函数分析和滚道圆度分析)。
(2)游隙的变化情况。
(3)是否有腐蚀现象，在什么部位，是什人类型的腐蚀，是否与失效直接有关。
(4)是否有破裂，裂纹的形态和断口性质如何。
(5)磨损是什么类型的，对失效有多大作用。
(6)轴承各部件工作表面变色的情况和部位以确定其润滑情况和表面温度效应。
(7)对失效特征区主要观察有无异常磨损、外来颗粒嵌入、裂纹、擦伤和其他缺陷。
(8)冷酸洗法或热酸洗法检验轴承零件原始表面有无软点、脱碳层和烧伤，特别是表面磨削烧伤。
(9)用X射线应力测定仪测量轴承工作前后的应力变化情况。
宏观检查的结果，有时也可基本判断失效的形式和原因，但要进一步确定失效性质，取得更多的证据.还必须做微观分析。
3.微观分析
失效轴承的微观分析包括光学金相分析、电子显微分析、探针和电子能谱分析等。主要是根据失效特征区的微观组织结构变化和对疲劳源、裂纹源的分析为失效分析提供更充分的判据或反证，因而是重要的。微观分析中Z常用、Z普及的方法是光学金相分析和表面硬度检测。分析的内容应包括：
(1)原材料材质是否符合标准和设计要求。
(2)轴承零件的基体组织和热处理质量是否符合质量要求。
(3)表层组织是否存在脱碳层、屈氏体和其他表面加工变质层。
(A)测量渗碳层等表面强化层和多层金属各层组织的深度、腐蚀坑或裂纹的形态与深度，并根据裂纹的形状和两侧组织特征确定裂纹产生的原因及性质。
(5)根据晶粒大小、组织变形、局部相变、重结晶及相聚集等判断变形程度、温升状况、材料种类及工艺过程等。
(6)测量基体硬度、硬度均匀性及失效特征区的硬度变化。
(7)断口观察与分析。扫描电子显微镜因景深大、放大倍率高及图象清晰等优点，对断口的观察、定性和测量更具优越性。
(8)电子显微镜、探针和电子能谱在疲劳源和裂纹源分析中能测出断口异物的成分，分析断口的性质和断裂的原因。
这里所介绍的轴承失效分析一般方法的三个步骤，是一个由表及里逐步深入的分析过程。具体分析时应根据轴承失效的类型特点，并不是三个步骤中的每一个问题和每一种方法都对应使用。这要视具体情况决定取舍。但分析全过程的三步骤是缺一不可的。而且整个分析过程中，分析结果始终与影响轴承失效的内、外诸多因素联系起来.综合思考与判断。
四、轴承的表面质量与失效分析
滚动轴承的主要失效形式是疲劳和磨损，轴承的疲劳和磨损又总是发生在其工作表面和表面层，显然滚动轴承工作表面层的质量对轴承的使用寿命是至关重要的。轴承的失效分析工作离不开对轴承工作表面质量和表面工作状态的分析。
滚动轴承工作表面质量研究包括：表面形貌分析，表面变质层分析，表面应力状态分析，以及表面磨损状态分析等。表面形貌分析属摩擦学的范畴，近年来各国摩擦学工作者结合摩擦表面的失效分析，在表面形貌研究中取得了不少成果，尽管表面形貌对表面磨损的影响机理尚不够成熟，但对于表面形貌的分析工作正在从一维参数向二维参数甚至三维参数的方向发展。滚动轴承的磨削表面有无数纵向磨痕，显微镜下纵观过去波浪起伏，犹如流水一般，有人称之为磨削流。它的几何形态和特性对于轴承的失效往往起着重要的作用。它的质量通常是用表面不规则的粗糙度算术平均值Re来表示的，也可以用波纹度等参数来评定。尽管这些参数在控制工艺质量方面是很有用的数量化指标，但他们只是高度特征的一维参数，不能充分表达磨削表面各向异性的特征。用扫描电子显微镜，直接观察轴承工作表面的形貌(包括可见度、密度、均匀性、波长、高度、间距和斜率等)特征以及可见的缺陷等，可对表面质量的认识为之一新。SKF轴承公司的Tallian和日本等国的学者都曾使用过这种方法，美国甚至进展到应用扫描电镜输出定量的技术。已有的研究成果证明：表面形貌对峰点载荷、应力、真实接触面积、摩擦力、摩擦系数以及表面温度等参数有重要的影响。这些参数在轴承失效的分析中，显然是非常重要的。
由于受到冷、热加工条件和润滑介质等因素的影响。轴承工作表面的微观组织结构、物理、化学和力学性能等往往与其心部有很大不同。轴承表面的微观结构、物理、化学和力学性能发生了变化的表面层称为表面变质层。若表面变质层是由磨削加工过程引起的就称为磨削表面变质层，滚动轴承工作表面变质层分析是轴承表面质量分析的主要组成部分，当然也是轴承失效的重要组成部分之依轴承工作表面磨削变质层的形成机理，造成磨削变质层的主要因素是磨削热和磨削力的作用。
1.磨削热
在磨削加工中，砂轮和工件接触区内，消耗大量的能，产生大量的磨削热，造成磨削区的局部瞬时高温。运用线状运动热源传热理论公式推导、计算或应用红外线法和热电偶法实测试验条件下的瞬时温度可发现在1×10-4～1×10-6s内磨削区的瞬时温度可高达1OO0～1500℃。这祥的瞬时高温，足以使工作表面一定深度的表面层产主高温氧化、非晶态组织、高温回火、二次淬火、甚至烧伤开裂等多种变化。
(1)表面氧化层
瞬时高温作用下的钢表面与空气中的氧作用，生成极薄(20～30nm)的铁氧化物薄层(由α-Fe2O3、Fe3O4、Fe0及Fe的掺合结构所组成)。值得注意的是氧化层厚度与表面磨削变质层总厚度侧试结果是呈对应关系的。这说明其氧化层厚度与磨削工艺直接相关，是磨削质量的重要标志。
(2)晶态组织层
磨削区的瞬时高温使工件表面达到溶融状态时，熔融的金属分子流又被均匀地涂敷于工件表面，并被基体金属以极快的速度冷却.形成了极薄的一层非品态组织层。它具有高的硬度和韧性，但它只有100À左右，很容易在精密磨削加工中被去除。
(3)高温回火层
磨削区的瞬时高温可以使表而一定深度(10～lO2mm)内被加热到高于工件回火加热的温度。在没有达到奥氏体化温度的情况下，随看被加热温度的提高，其表面逐层将产生与加热温度相对应的再回火或高温回火的组织转变，硬度也随之下降。加热温度愈高，硬度下降也愈厉害。
(4)二次淬火
当磨削区的瞬时高温将工件表面层加热到奥氏体化温度(Ac1)以上时，则该层奥氏体化的组织在随后的冷却过程中，又重新被淬火成马氏体组织。从图片上看是白色的，并时常伴有淬火微裂纹。凡是有二次淬火烧伤的工件，其二次淬火层之下必定是硬度极低的高温回火层。
(5)磨削裂纹
二次淬火烧伤，将使工件表层应力变化。二伏淬火区处于受压状态；二次淬火区以下的高温回火区材料存在着Z大的拉应力，这里就是裂纹核心Z有可能发生的地方。裂纹Z容易沿原始的奥氏体晶界传播。严重的烧伤会导致整个磨削表面出现裂纹(多呈龟裂)造成工件报废，混入成品则造成断裂失效。
2.磨削力所造成的变质层
在磨削加工过程中，工件表面层将受到砂轮的切削力、压缩力和摩擦力的作用。尤其是后两者的作用，使工件表面层形成方向性很强的塑性变形层和加工硬化层。这些变质层也必然地影响着表面层残余应力的变化。
(1)冷塑性变形层
在磨削过程中，每一颗磨粒就相当于一个刀刃。不过在很多情况下(特别是磨粒经过磨损之后)。切刃的前角为负值.磨粒除切削作用之外，就是使工件表面承受挤压作用(耕犁作用)，使工件表面留下明显的塑性变形层。这种变形层的变形程度将随着砂轮磨钝的程度和磨削进给量的增大而增大。
(2)热塑性变形(或高温塑性变形)
磨削热在工件表面形成的瞬时高温，使工件表面层一定深度的弹性极限急剧下降，甚至达到弹性消失的程度。此时工件表面层在磨削力，特别是压缩力和摩擦力的作用下，引起的自由伸长，受到基体金属的限制，表面被压缩(耕犁)，在表面层造成了塑性变形。高温塑性变形在磨削工艺不变的情况下，随工件表面温度的升高而增大。
(3)加工硬化层 有时用显微硬度法和金相法可以发现.由于加工变形引起的表面层厚度升高。
轴承表面磨削变质层的多层结构变化对分析轴承制造工艺水平、预测使用寿命和失效分析都是重要的。除磨削加工之外，在铸造和热处理加热中所造成的表面脱贫碳层，在以后的加工中若没有被完全去除，残留于工件表面也将造成表面软化变质，促成轴承的早期失效。
对工作状态下的轴承工作表面，进行表面应力状态的分析和监控以及对表面磨损状态进行定期或随机的铁谱分析，对轴承失效的预测和失效分析都是很有意义的。滚动轴承工作表面结构状态和工作状态决定了表面分析在轴承失效中的重要性。
五、轴承失效的预测及预防
在一般机械设备中，轴承通常是可更换的易损基础件，认为轴承失效了换个新的很平常，从不追究它失效的原因，只有在汽车、火车、飞机等交通运输业和发动机制造业等行业中，轴承的寿命很重要，因而对轴承的失效分析才受到一定程度的重视。轴承既然是易损基础件，它的运转寿命总有一定程度，工作时间超过设计寿命者属正常失效；工作时间小于设计寿命者属非正常失效(或称早期失效)。轴承失效的预防主要是指早期失效而言。
预防轴承失效的主要途径有：(1)采取一切可能和有效手段，尽量提高轴承的寿命和可靠性。包括结构设计的优化、加二工艺的改革，原材料的精选和精炼，高效率高洁度的润滑.以及精细的装配和安装等等。(2)加强轴承产品的质量检测和监督，以确保轴承产品炭毫指标达到设计要求。在轴承投入运转之前.严格的质量检测和监督也是预防轴承早期失效的积极措施。(3)加强对轴承工作状态的诊断和预测，及早发现异常、缺陷和意外破损，采取预防措施以防止突发性失效事故可能造成的重大损失。
轴承的诊断和预测这类测试技术的特点是不需要停机或者拆卸零部件，直接对运行中的轴承工作情况实施技术监控，以便发现问题及时处理。熟练工人经常采用的耳听(振动噪声)、手摸(温度)，铁路车检工人采用的锤击和手摸等方法。在缺少先进检测仪器的情况下，都是简单而有效的人工监控方法。
现在的轴承诊断和预测技术，是与精密的测试系统和检测手段连系在一起的。目前实际应用中比较成熟的检测系统有以下几种：
(1)轴承脉冲测振装置。轴承磨损(或疲劳剥落)后，产生振动，接受器将机械脉冲信号转换为电信号并放大。与脉冲数超出正常范围达到突变时，立即报警，轴承停止使用。
(2)轴承温度报警装置。轴承润滑不良、表面磨损或疲劳都会使表面发热，当发热到一定的极限温度时，即行报警，轴承停止运行。
(3)定期检测运行中轴承的当时状态，发现或监控已有缺陷及其发展趋势。例如采用德国Geartebau Brieselang公司生产的WDG便携式滚动轴承诊断仪就适用于定期检测。
(4)铁粉记录诊断法。抽样运行轴承中的润滑剂，用铁谱仪检测其中的金属磨粒(或粉末)的数量、尺寸及其形状特征，也可分析出疲劳与磨损的程度，发现轴承失效的征兆。
近年来，国外新发展的轴承诊断装置，不仅使这类测量技术在原=7的基础上继续深化、精确灵敏，而且在形式和原理等方面都有新的发展。例如FFV公司生产的SPM系列诊断装置中，轴承脉冲特性分析仪，可根据频谱脉冲形状确定轴承的润滑状态、润滑膜厚度和轴承零件的破损程度；德国研究者Bill按照DK(t)法诊断轴承，提出了长期预报剩余寿命的前提；英国研究者Howard创造的电子计算机上处理高频信号数字法，能保证尽早发现破损，评估其发展和识别破损源。其高频信号是由滚动轴承之间的冲击载荷决定的。此外尚有“声发射法(英)”、“振动诊断法(俄)”等预测技术的新发展。诊断预测系统的类型也是多种多样的，其中大型的如日本富士公司的Cabit-1000型滚动轴承诊断系统(包括傅立叶分析器、显示器、存储器、印字机构、联系装置和字母一数字变换器等)：小型的如德国的专利产品“便携式探针”，可借助于加速压电传感器测量轴承外壳的机械噪声，传感器在测量时可固定在机壳上。总之，轴承的预测技术正在迅速地发展着，不论采用那种方法、原理或仪器设备.Z重要的在于尽早发现极限状态和估计剩余寿命。诊断和预测仅是方法和手段。预防轴承早期失效所造成的损失才是目的。
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。它的积极意义在于：(1)可以分析出轴承失效的主要原因，提出改进措施，不断提高轴承产品的质量。(2)可以判断设计是否合理，纠正某些不尽合理的方面以提高轴承产品的可靠性。(3)可以发现轴承零件在冷、热加工中存在的问题。纠正不合理的加工工艺。(4)可以判断材料选择的合理性及原材料质量存在的间题。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。
本文的探讨将以滚动轴承的失效为主。
一、轴承失效的表现形式
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。丧精失效就是因几何尺寸变化了配合间隙，失去了原设计要求的回转精度，虽尚能继续转动，但属非正常运转。例如磨损、腐蚀等。轴承失效的影响因素很复杂，而且各类轴承的工作条件和失效因素的差异，产生的失效形式和形貌特征亦各不相同。按其损伤机理大致可分为：接触疲劳失效、摩擦磨损失效、断裂失效、变形失效、腐蚀失效和游隙变化失效等几种基本形式。
1.接触疲劳失效
接触疲劳失效是各类轴承表面Z常见的失效形式之一，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Z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。
2.磨损失效
轴承零件之间相对滑动摩擦导致表面金属不断损失的现象称为磨损。持续的磨损将使零件尺寸和形状变化，轴承配合游隙增大，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Z常见的失效形式之一，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Z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，构成粘着的磨损.严重的粘着磨损会造成摩擦面的焊合和卡死。
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强度极限，造成轴承零件断裂就称过载断裂。过载的原因可能是主机故障，也可能是轴承的结构或安装不合理。另外.轴承零件存在着微裂纹、缩孔、气泡和大块外来夹杂物等缺陷，在正常载荷作用下，也会在缺陷处引起断裂，称为缺陷断裂。
轴承套圈和滚动体经锻造、热处理和磨加工过程中产生的过热、过烧、局部烧伤和表面裂纹就可能会引起轴承的断裂失效。特别是磨削烧伤检查时不易发现，有磨削烧伤的套圈一受冲压或振动就可能断裂。
4.塑性变形失效
在外力和环境温度作用下.轴承零件表面局部塑性流动或整t、变形，致使整套轴承不能正常工作而造成的失效称为变形失效。例如保持架翘曲、歪扭、兜孔拉长或框形保持架变形、靠套瓷都会造成轴承的早期失效。另外轴承摩擦表面塑性划痕也会引起振动和噪声增大、温度升高，从而加速轴承的早期失效。
5.腐蚀失效
轴承零件金属表面同环境介质发生化学或电化学反应，造成的表面损伤和轴承的失效称为腐蚀失效。能对轴承零件表面起化学作用的环境介质有大气、湿气、燃料和润滑油的氧化产物(酸类、酮类、乙醇等)以及氧化产物的蒸气等。
通常轴承表面腐蚀可以分为电介质腐蚀、有机酸腐蚀、其他介质腐蚀(如润滑油中含有硫化物)和电流腐蚀等。
腐蚀在轴承零件金属表面造成氧化膜或腐蚀孔洞，使表面呈现局部或全部变色。硬脆松散的氧化膜和腐蚀反应物在载荷作用下剥落，轴承表面生成蚀坑或造成工作表面粗化、进而形成腐蚀磨损或腐蚀疲劳失效。
6.游隙变化失效
轴承在工作过程中，受外界或内在因素变化的影响，改变了原有的配合间隙.使精度降低，甚至造成咬死的现象，称为游隙变化失效。
轴承零件的金相组织(例如残留奥氏体)和应力如果均处于不稳定状态，随着时间的延长其尺寸会产生变化，使轴承丧失运转精度。由于轴承零件的尺寸与形状不同，膨胀系数或膨胀量不同，在超常温下工作就会造成轴承工作游隙变化，轴承也会因失去运转精度造成早期失效。
二、影响轴承失效的因素
轴承失效的原因往往是多因素的，所有设计制造过程的影响因素都会与轴承的失效有关，分析起来不易判断。在一般情况下可以从外来因素和内在因素两方面考虑和着手分析。
外来因素主要是指安装调整、使用保养及维护修理等是否符合技术要求。因而也称之为使用因素。
安装条件是使用因素中的首要因素产一，轴承往往因安装的不合适而导致整套轴承各零件之间的受力状态发生变化，轴承将在不正常的状态下运转并提早失效。根据轴承安装、使用、维护和保养的技术要求，对运转中的轴承所承受的载荷、转速、工作温度、振动噪声和润滑条件进行监控和检查。发现异常立即查找原因，进行调整，使其恢复正常。对润滑剂质量和周围介质、气氛进行分析检验也很重要。尤其是润滑剂的正确使用对延长轴承的使用寿命是至关重要的。德国的研究者Koch在Z近泊勺研究中指出：轴承的寿命与载荷、油的活度和润滑剂条件有关，而其增长可能是无限的。按系数n(当n=1时活度Z大)评定的润滑油没有污垢具有特别的意义，在良好的(厚油膜、高洁度)和恶劣的(薄油膜、有污垢)条件下工作的轴承寿命比为400：1。可见正确的润滑在轴承寿命中是很重要的。
内在因素主要是指设计、制造工艺和材料质量等决定轴承质量的三大要素。也可称之为制造质量因素。
为了提高轴承的寿命和可靠性，人们围绕着上述三要素，做了大量的研究工作。首先，结构设计不合理当然不可能有合理的轴承寿命；仅有结构设计的合理性而不考虑先进性也不会有较长的轴承寿命；只有结构设计同时具有合理性和先进性，才会有较长的轴承寿命。
轴承制造要经过铸造、锻造、热处理、车削、磨削和装配等多种加工工序。各种加工工艺的合理性、先进性和稳定性也都会影响到轴承的寿命和失效分析。尤其是直接影响成品轴承质量的热处理和磨加工工艺，往往与轴承的失效有更直接的关系。近年来对轴承工作表面变质层的研究，能够说明磨削工艺与轴承工作表面质量的密切关系。
轴承材料的冶金质量曾经是滚动轴承早期失效的主要影响因素。随着冶金技术(轴承钢的真空脱气等)的提高，原材料质量得到改善。原材料质量在轴承失效分析中所占的比重己经明显下降，但至今仍然是轴承失效的主要影响因素之一。
轴承失效分析的主要任务，就是根据大量的背景材料、分析数据和失效的形式，综合分析，找出造成轴承失效的主要影响因素，以便有针对性地提出改进措施，延长轴承的服役期，避免轴承突发性的早期失效。
三、轴承失效的分析方法
在轴承失效分析过程中，往往会碰到许多错综复杂的现象，各种实验结果可能是相互矛盾的，或者主次不易分清，这就需要经过反复试验、验证，以获得足够的证据或反证。在整个分析过程中，只有运用正确的分析方法、程序及步骤，才能找到真正的失效原因，得到正确的结论。失效分析工作者广博的基础知识、丰富的实践经验和先进的分析手段都是非常重要的。一个训练有素的轴承失效分析工作者，在作失效分析时必须从影响轴承寿命的外部条件因素到内在质量因素给予综合分析，尽快地确认分析的主要程序。
一般情况下轴承失效分析大体可分为：失效实物和背景资料的收集；对失效实物的宏观检查和微观分析等三个步骤。
1.失效实物和背景材料的收集
应该尽可能地收集到失效实物的各个零件和残片。尽量多地了解到失效轴承的实际工作条件、使用过程和制造质量情况。这对于正确地进行失效分析是必不可少的。它具体包括以下的内容：
(1)轴承所服役的机器设备的工作状况、载荷和运行速度。轴承在设备上的设计工作条件。
(2)轴承失效的情况。只有轴承失效还是其他部分也失效，轴承失效属于什么类型。
(3)轴承的安装运转记录。运转使用过程中有无不正常操作。
(4)轴承工作中所承受的真正载荷情况如何，是否符合原设计。
(5)轴承工作的实际速度及不同速度出现的频率。
(6)失效时是否有温度的急剧增加或冒烟、噪声及振动的突然增大。
(7)工作环境中有无腐蚀性介质，轴承及其相接触的轴颈处有无特殊的表面氧化色或其他沾污色。
(8)轴承的安装记录(包括安装前轴承尺寸精度的复检情况)，轴承和轴承的游隙、装配和对中情况，轴承座和机架刚性如何，安装是否有异常。
(9)轴承运转是否有热膨胀及动力传递变化。
(10)轴承的润滑情况，包括润滑剂的牌号、成分、颜色、粘度、杂质含量、过滤、更换及供给情况等，并收集其沉淀物作分析。
(11)轴承的选材是否正确，用材质量是否符合标准或图纸要求。
(12)轴承的制造工艺过程是否正常，表面是否有塑性变化，有没有表面磨削烧伤。
(13)失效轴承的修复和保养记录。
(14)同批或同类轴承的失效情况。
在实际的失效分析背景材料收集工作中，全部满足上述要求是很难的。但收集到的资料愈多，无疑会更有利于分析结论的正确。
2.宏观检查
对失效轴承进行宏观检查(包括尺寸精度测量和表面状态检查分析).是失效分析Z重要的环节。总体的外观检查，可了解轴承失效的概貌和损坏部位的特征，估计造成失效的起因，察看缺陷的大小、形状、部位、数量和特征并确定截取的部位做进一步的微观检查和分析。宏观检查的内容应包括：
(1)外形和尺寸精度的变化情况(包括测振分析、动态函数分析和滚道圆度分析)。
(2)游隙的变化情况。
(3)是否有腐蚀现象，在什么部位，是什人类型的腐蚀，是否与失效直接有关。
(4)是否有破裂，裂纹的形态和断口性质如何。
(5)磨损是什么类型的，对失效有多大作用。
(6)轴承各部件工作表面变色的情况和部位以确定其润滑情况和表面温度效应。
(7)对失效特征区主要观察有无异常磨损、外来颗粒嵌入、裂纹、擦伤和其他缺陷。
(8)冷酸洗法或热酸洗法检验轴承零件原始表面有无软点、脱碳层和烧伤，特别是表面磨削烧伤。
(9)用X射线应力测定仪测量轴承工作前后的应力变化情况。
宏观检查的结果，有时也可基本判断失效的形式和原因，但要进一步确定失效性质，取得更多的证据.还必须做微观分析。
3.微观分析
失效轴承的微观分析包括光学金相分析、电子显微分析、探针和电子能谱分析等。主要是根据失效特征区的微观组织结构变化和对疲劳源、裂纹源的分析为失效分析提供更充分的判据或反证，因而是重要的。微观分析中Z常用、Z普及的方法是光学金相分析和表面硬度检测。分析的内容应包括：
(1)原材料材质是否符合标准和设计要求。
(2)轴承零件的基体组织和热处理质量是否符合质量要求。
(3)表层组织是否存在脱碳层、屈氏体和其他表面加工变质层。
(A)测量渗碳层等表面强化层和多层金属各层组织的深度、腐蚀坑或裂纹的形态与深度，并根据裂纹的形状和两侧组织特征确定裂纹产生的原因及性质。
(5)根据晶粒大小、组织变形、局部相变、重结晶及相聚集等判断变形程度、温升状况、材料种类及工艺过程等。
(6)测量基体硬度、硬度均匀性及失效特征区的硬度变化。
(7)断口观察与分析。扫描电子显微镜因景深大、放大倍率高及图象清晰等优点，对断口的观察、定性和测量更具优越性。
(8)电子显微镜、探针和电子能谱在疲劳源和裂纹源分析中能测出断口异物的成分，分析断口的性质和断裂的原因。
这里所介绍的轴承失效分析一般方法的三个步骤，是一个由表及里逐步深入的分析过程。具体分析时应根据轴承失效的类型特点，并不是三个步骤中的每一个问题和每一种方法都对应使用。这要视具体情况决定取舍。但分析全过程的三步骤是缺一不可的。而且整个分析过程中，分析结果始终与影响轴承失效的内、外诸多因素联系起来.综合思考与判断。
四、轴承的表面质量与失效分析
滚动轴承的主要失效形式是疲劳和磨损，轴承的疲劳和磨损又总是发生在其工作表面和表面层，显然滚动轴承工作表面层的质量对轴承的使用寿命是至关重要的。轴承的失效分析工作离不开对轴承工作表面质量和表面工作状态的分析。
滚动轴承工作表面质量研究包括：表面形貌分析，表面变质层分析，表面应力状态分析，以及表面磨损状态分析等。表面形貌分析属摩擦学的范畴，近年来各国摩擦学工作者结合摩擦表面的失效分析，在表面形貌研究中取得了不少成果，尽管表面形貌对表面磨损的影响机理尚不够成熟，但对于表面形貌的分析工作正在从一维参数向二维参数甚至三维参数的方向发展。滚动轴承的磨削表面有无数纵向磨痕，显微镜下纵观过去波浪起伏，犹如流水一般，有人称之为磨削流。它的几何形态和特性对于轴承的失效往往起着重要的作用。它的质量通常是用表面不规则的粗糙度算术平均值Re来表示的，也可以用波纹度等参数来评定。尽管这些参数在控制工艺质量方面是很有用的数量化指标，但他们只是高度特征的一维参数，不能充分表达磨削表面各向异性的特征。用扫描电子显微镜，直接观察轴承工作表面的形貌(包括可见度、密度、均匀性、波长、高度、间距和斜率等)特征以及可见的缺陷等，可对表面质量的认识为之一新。SKF轴承公司的Tallian和日本等国的学者都曾使用过这种方法，美国甚至进展到应用扫描电镜输出定量的技术。已有的研究成果证明：表面形貌对峰点载荷、应力、真实接触面积、摩擦力、摩擦系数以及表面温度等参数有重要的影响。这些参数在轴承失效的分析中，显然是非常重要的。
由于受到冷、热加工条件和润滑介质等因素的影响。轴承工作表面的微观组织结构、物理、化学和力学性能等往往与其心部有很大不同。轴承表面的微观结构、物理、化学和力学性能发生了变化的表面层称为表面变质层。若表面变质层是由磨削加工过程引起的就称为磨削表面变质层，滚动轴承工作表面变质层分析是轴承表面质量分析的主要组成部分，当然也是轴承失效的重要组成部分之依轴承工作表面磨削变质层的形成机理，造成磨削变质层的主要因素是磨削热和磨削力的作用。
1.磨削热
在磨削加工中，砂轮和工件接触区内，消耗大量的能，产生大量的磨削热，造成磨削区的局部瞬时高温。运用线状运动热源传热理论公式推导、计算或应用红外线法和热电偶法实测试验条件下的瞬时温度可发现在1×10-4～1×10-6s内磨削区的瞬时温度可高达1OO0～1500℃。这祥的瞬时高温，足以使工作表面一定深度的表面层产主高温氧化、非晶态组织、高温回火、二次淬火、甚至烧伤开裂等多种变化。
(1)表面氧化层
瞬时高温作用下的钢表面与空气中的氧作用，生成极薄(20～30nm)的铁氧化物薄层(由α-Fe2O3、Fe3O4、Fe0及Fe的掺合结构所组成)。值得注意的是氧化层厚度与表面磨削变质层总厚度侧试结果是呈对应关系的。这说明其氧化层厚度与磨削工艺直接相关，是磨削质量的重要标志。
(2)晶态组织层
磨削区的瞬时高温使工件表面达到溶融状态时，熔融的金属分子流又被均匀地涂敷于工件表面，并被基体金属以极快的速度冷却.形成了极薄的一层非品态组织层。它具有高的硬度和韧性，但它只有100À左右，很容易在精密磨削加工中被去除。
(3)高温回火层
磨削区的瞬时高温可以使表而一定深度(10～lO2mm)内被加热到高于工件回火加热的温度。在没有达到奥氏体化温度的情况下，随看被加热温度的提高，其表面逐层将产生与加热温度相对应的再回火或高温回火的组织转变，硬度也随之下降。加热温度愈高，硬度下降也愈厉害。
(4)二次淬火
当磨削区的瞬时高温将工件表面层加热到奥氏体化温度(Ac1)以上时，则该层奥氏体化的组织在随后的冷却过程中，又重新被淬火成马氏体组织。从图片上看是白色的，并时常伴有淬火微裂纹。凡是有二次淬火烧伤的工件，其二次淬火层之下必定是硬度极低的高温回火层。
(5)磨削裂纹
二次淬火烧伤，将使工件表层应力变化。二伏淬火区处于受压状态；二次淬火区以下的高温回火区材料存在着Z大的拉应力，这里就是裂纹核心Z有可能发生的地方。裂纹Z容易沿原始的奥氏体晶界传播。严重的烧伤会导致整个磨削表面出现裂纹(多呈龟裂)造成工件报废，混入成品则造成断裂失效。
2.磨削力所造成的变质层
在磨削加工过程中，工件表面层将受到砂轮的切削力、压缩力和摩擦力的作用。尤其是后两者的作用，使工件表面层形成方向性很强的塑性变形层和加工硬化层。这些变质层也必然地影响着表面层残余应力的变化。
(1)冷塑性变形层
在磨削过程中，每一颗磨粒就相当于一个刀刃。不过在很多情况下(特别是磨粒经过磨损之后)。切刃的前角为负值.磨粒除切削作用之外，就是使工件表面承受挤压作用(耕犁作用)，使工件表面留下明显的塑性变形层。这种变形层的变形程度将随着砂轮磨钝的程度和磨削进给量的增大而增大。
(2)热塑性变形(或高温塑性变形)
磨削热在工件表面形成的瞬时高温，使工件表面层一定深度的弹性极限急剧下降，甚至达到弹性消失的程度。此时工件表面层在磨削力，特别是压缩力和摩擦力的作用下，引起的自由伸长，受到基体金属的限制，表面被压缩(耕犁)，在表面层造成了塑性变形。高温塑性变形在磨削工艺不变的情况下，随工件表面温度的升高而增大。
(3)加工硬化层 有时用显微硬度法和金相法可以发现.由于加工变形引起的表面层厚度升高。
轴承表面磨削变质层的多层结构变化对分析轴承制造工艺水平、预测使用寿命和失效分析都是重要的。除磨削加工之外，在铸造和热处理加热中所造成的表面脱贫碳层，在以后的加工中若没有被完全去除，残留于工件表面也将造成表面软化变质，促成轴承的早期失效。
对工作状态下的轴承工作表面，进行表面应力状态的分析和监控以及对表面磨损状态进行定期或随机的铁谱分析，对轴承失效的预测和失效分析都是很有意义的。滚动轴承工作表面结构状态和工作状态决定了表面分析在轴承失效中的重要性。
五、轴承失效的预测及预防
在一般机械设备中，轴承通常是可更换的易损基础件，认为轴承失效了换个新的很平常，从不追究它失效的原因，只有在汽车、火车、飞机等交通运输业和发动机制造业等行业中，轴承的寿命很重要，因而对轴承的失效分析才受到一定程度的重视。轴承既然是易损基础件，它的运转寿命总有一定程度，工作时间超过设计寿命者属正常失效；工作时间小于设计寿命者属非正常失效(或称早期失效)。轴承失效的预防主要是指早期失效而言。
预防轴承失效的主要途径有：(1)采取一切可能和有效手段，尽量提高轴承的寿命和可靠性。包括结构设计的优化、加二工艺的改革，原材料的精选和精炼，高效率高洁度的润滑.以及精细的装配和安装等等。(2)加强轴承产品的质量检测和监督，以确保轴承产品炭毫指标达到设计要求。在轴承投入运转之前.严格的质量检测和监督也是预防轴承早期失效的积极措施。(3)加强对轴承工作状态的诊断和预测，及早发现异常、缺陷和意外破损，采取预防措施以防止突发性失效事故可能造成的重大损失。
轴承的诊断和预测这类测试技术的特点是不需要停机或者拆卸零部件，直接对运行中的轴承工作情况实施技术监控，以便发现问题及时处理。熟练工人经常采用的耳听(振动噪声)、手摸(温度)，铁路车检工人采用的锤击和手摸等方法。在缺少先进检测仪器的情况下，都是简单而有效的人工监控方法。
现在的轴承诊断和预测技术，是与精密的测试系统和检测手段连系在一起的。目前实际应用中比较成熟的检测系统有以下几种：
(1)轴承脉冲测振装置。轴承磨损(或疲劳剥落)后，产生振动，接受器将机械脉冲信号转换为电信号并放大。与脉冲数超出正常范围达到突变时，立即报警，轴承停止使用。
(2)轴承温度报警装置。轴承润滑不良、表面磨损或疲劳都会使表面发热，当发热到一定的极限温度时，即行报警，轴承停止运行。
(3)定期检测运行中轴承的当时状态，发现或监控已有缺陷及其发展趋势。例如采用德国Geartebau Brieselang公司生产的WDG便携式滚动轴承诊断仪就适用于定期检测。
(4)铁粉记录诊断法。抽样运行轴承中的润滑剂，用铁谱仪检测其中的金属磨粒(或粉末)的数量、尺寸及其形状特征，也可分析出疲劳与磨损的程度，发现轴承失效的征兆。
近年来，国外新发展的轴承诊断装置，不仅使这类测量技术在原=7的基础上继续深化、精确灵敏，而且在形式和原理等方面都有新的发展。例如FFV公司生产的SPM系列诊断装置中，轴承脉冲特性分析仪，可根据频谱脉冲形状确定轴承的润滑状态、润滑膜厚度和轴承零件的破损程度；德国研究者Bill按照DK(t)法诊断轴承，提出了长期预报剩余寿命的前提；英国研究者Howard创造的电子计算机上处理高频信号数字法，能保证尽早发现破损，评估其发展和识别破损源。其高频信号是由滚动轴承之间的冲击载荷决定的。此外尚有“声发射法(英)”、“振动诊断法(俄)”等预测技术的新发展。诊断预测系统的类型也是多种多样的，其中大型的如日本富士公司的Cabit-1000型滚动轴承诊断系统(包括傅立叶分析器、显示器、存储器、印字机构、联系装置和字母一数字变换器等)：小型的如德国的专利产品“便携式探针”，可借助于加速压电传感器测量轴承外壳的机械噪声，传感器在测量时可固定在机壳上。总之，轴承的预测技术正在迅速地发展着，不论采用那种方法、原理或仪器设备.Z重要的在于尽早发现极限状态和估计剩余寿命。诊断和预测仅是方法和手段。预防轴承早期失效所造成的损失才是目的。
