工业轴承的疲劳和金相分析

潘军　顾军

（苏州大学机电学院）

　　摘　要：工业轴承受到重复变化的载荷作用后，关系疲劳与金相，化学成份。化学成分的不同会引起不等的疲劳损坏。

　　关键词：重复变化载荷；疲劳；金相；化学成份

　　1.疲劳分析的简介

　　当材料在收到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破换，这种在交变载荷重复作用下材料产生破换的现象就叫疲劳破坏。

　　疲劳可以分很多种类。包括常规疲劳，高低疲劳，机械疲劳，热疲劳，热-机械疲劳，腐蚀疲劳，接触疲劳，微动磨损疲劳和冲击疲劳，我论文中所关注的是工业轴承在额定转速下的疲劳分析，理想化，仅有交变力产生的疲劳工，所以归于机械疲劳一类。

　　轴承疲劳失效，包括局部浅层疲劳和表层疲劳两种失效形式，我所分析的工业轴承就是表层疲劳失效，具体表现为内圈滚道和滚动体表面有疲劳裂纹或材质剥落。结合轮毂轴承工作特点及对失效轴承的组织、硬度、材料和润滑状况分析，提出造成轴承疲劳失效的原因大多与轴承体材质、工艺无关，而润滑不良致使润滑油膜形成不理想或游隙过大致使接触面滑动时，除在接触表面存在赫兹应力，还会在接触表面下方产生交变应力，这种交变应力会导致表面的材质疲劳而产生疲劳裂纹，然后扩展到表面形成材质剥落。我进行疲劳分析是，具体考虑了拉压交变应力对轴承在额定转速下的疲劳影响。

　　2.工业轴承的疲劳破坏

　　工业轴承在额定工况下工作时，产生疲劳破坏的原因有很多，以我在一家轴承公司实习的经验，大体分为这么几种情况：安装过程中所产生的配合不标准，造成预紧力过大，使滚珠紧压在滚道上，这样在使用过程中，易产生接触疲劳；安装过程不正确或使用不当的工具，是外圈没有固定好，在轴承工作一定的时间后，外圈松动，与内圈中心线不同轴，这样会是滚珠在运转的过程中产生振动，会对内圈产生交变的载荷，易产生机械疲劳；使用过程中载荷不当；外部环境包括温度等；润滑等因素。

　　3.工业轴承的疲劳分析

　　3.1.全寿命疲劳分析

　　在运用ansys进行疲劳分析的时候是采用的全寿命分析，也就是要采用轴承材料的S-N曲线。然后取用S-N曲线的斜率进行的疲劳计算Z后算出相应应力下允许的循环次数。

　　3.2.工业轴承的疲劳分析及其金相分析

　　3.2.1.轴承内圈的建模假设

　　（1）假设轮毂轴承游隙为零。

　　（2）轮毂轴承零件由弹性材料制成，忽略材料塑性变形。

　　（3）对轴进行刚体建模，并忽略内圈与轴过盈配合时产生的应力影响。

　　（4）轴承的负荷一般是经由轴传递给内圈的，依据圣维南定理，外载荷在内圈与轴配合面上的应力形式对轴承内部接触问题的影响可以忽略，假定配合面上的应力是沿外载荷方向均匀分布的。

　　（5）忽略保持架的影响。

　　3.2.2.轴承受力分析

　　当轴承在交变力为0的时候，轴承在额定转速下的受力情况，轴承的受力是内圈与轴的约束处Z大，然后依次沿径向变小。

　　当轴承内圈受到的压力内圈的受力情况，在q（143，0）处受载荷50N，其两侧附近是应力要小，对称侧内圈与轴的接触处受力Z大。

　　3.2.3.疲劳分析

　　当载荷的重复次数不断增加的时候，疲劳可以系数慢慢接近于1，离疲劳破坏越来越近，开始的时候重复数才0到5e7之间，疲劳破坏比较缓慢，当重复次数从5e7到1.5e8的之间时，疲劳破坏的速度加快，Z后又趋于平缓。产生疲劳后，会以疲劳点为中心迅速的往两侧展开，知道Z后整个滚道全部产生破换，开始疲劳破坏产生的细小的金属剥落，会在滚道中随轴承高速运动产生碾压凹痕。

　　4.金相分析

　　由于轴承受到载荷的重复冲击，使载荷区产生了疲劳破坏，也是金象组织发生了一定的变化，化学成分发生了变化，C，Si，S，P。的含量都上升，而Mn的含量降低，采用多元回归计算得到破坏前后的屈服极限发生了显著的增加，大约增加了23.96mp，所以疲劳曲线会在中间的斜率变小，疲劳破坏变慢。用硬度仪器检测发现疲劳破坏后的硬度也发生了增加，增加了0.2HRC。就每个元素，含C量的增加，会使屈服极限增加。Mn可以溶于铁素体与奥氏体。起到固溶强化作用，也可以溶于渗碳体，提高强度，疲劳破坏后Mn的含量减少，是强度变小。Si的含量也发生了变化，而且变化十分明显，Si同样可以溶于铁素体和奥氏体，增加强度。

　　5.总结

　　在论文中我重点分析了受到脉冲式载荷的冲击和金象分析，对工业轴承的疲劳破坏有一定的指导意义，并与金相所结合，疲劳的破坏会破坏金属内部的成分的比例，从而改变金属属性与力学性能。当然在论文的完成中模型是比较理想化的，工业轴承的工作坏境十分复杂，所受到的载荷种类比较多，我在此仅仅研究了比较普遍的一种。