水泵轴承断裂失效分析

张秀娟 吴继青

（广东珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

水泵轴承断裂失效分析

张秀娟 吴继青

（广东珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

水泵常应用于供热、制冷、中央空调及热水器等家用或商用电器，而这些水泵的轴承是支撑离心泵转子的关键零件，本文针对某厂家的水泵轴承的断裂失效试样，通过原材料化学成分测试、扫描电镜及能谱分析、金相分析，结合相关文献对水泵轴承断裂失效原因及机理进行分析，并制定相应的预防措施。

水泵；轴承；断裂；失效分析

水泵作为一种通用机械，广泛应用于国民经济的各个部门。无论是农业的灌溉、排涝，还是城市的给水和排水，都离不开水泵[1]。此外，现代水泵除了用于抽水以外，还可以抽送其他液体，甚至抽送带有粒块的浆状物，如泥浆、煤浆、混凝土浆、纸浆及化工化学药品水溶液。水泵也常应用于供热、制冷、中央空调及热水器等家用或商用电器，而这些水泵的轴承是支撑离心泵转子的关键零件，断裂、腐蚀、剥落和泄漏等是水泵轴承常见的失效模式，其中以断裂的危害最大，因此对断裂的失效模式进行深入分析并制定相应的预防措施十分必要。

本文针对应用于商用热水器的不锈钢卧式多级离心泵轴承断裂失效试样进行分析。

1 水泵钢轴断裂失效分析

1.1 成分测试

通过直读光谱仪对水泵轴承进行成分测试，其测试结果如表1所示。

从表1中材料的元素成分及含量可知：断轴水泵轴的化学成分符合要求。

1.2 断口表面形貌分析

利用扫描电镜，进行断口表面形貌分析，具体情况如图1～图4。

结合扫描电镜断口表面形貌分析如下：

（1）两轴（轴1、轴2）断裂情况基本相同，断口颜色呈暗灰色，说明有夹杂物存在（如图1，图2红色方框所示）。夹杂缺陷处可以看到明显的向周围扩展的呈辐射状的纹迹。

（2）从图4可以看出微观断口有大量韧窝存在，又因断口处发生可察觉的塑性变形，可以断定轴的断裂类型为韧性断裂。

（3）图4中可以观察到微观孔洞在第二相金属颗粒处形成，有的韧窝中有明显的第二相颗粒，有的韧窝中第二相颗粒已与基体分离。第二相的存在也是引起金属材料断裂的主要原因。

1.3 能谱分析

应用扫描电镜，通过对轴断口表面元素进行点扫描和面扫描。点扫描发现夹杂物主要为Si-Ca化合物和FeS夹杂；面扫描分析可以看出材料元素分布不均匀，具体如图5、图6所示。杂质元素的存在，影响了材料的组织结构，此缺陷的存在成为轴在运行中断裂的主要原因。

图1 轴1断口表面形貌

图2 轴2断口表面形貌

1.4 金相分析

对轴断裂位置进一步进行金相分析，如图7红色方框所示，可以很清楚观察到有夹杂物存在。

由于夹杂物的存在使钢中的奥氏体晶粒组织分布不均，同时存在夹杂相[2]。夹杂相吸附于奥氏体晶界等晶体缺陷处，对轴材料性能有直接的影响[3]。

图3 断口夹杂区域放大

图4 断口的SEM形貌

2 断裂失效机理及原因分析

断裂失效是结构材料最主要和最具危险性的失效，其分类比较复杂，一般有如下几种[4]：

（1）按断裂机理分为滑移分离、韧窝断裂、蠕变断裂、解理与准解理断裂、沿晶断裂和疲劳断裂；

（2）按断裂路径分为穿晶、沿晶和混晶断裂；

（3）按断裂性质分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂。在失效分析实践中大都采用这种分类法。

断裂失效分析思路是从分析断口的宏观与微观特征入手，确定断裂失效模式，分析研究断口形貌特征与材料组织和性能、零件的受力状态以及环境条件(如温度、介质等)等之间的关系，揭示断裂失效机理、原因与规律，进而采取改进措施与预防对策。

从图4可以看出微观断口有大量韧窝存在，可以断定轴的断裂类型为韧性断裂。韧性断裂又叫延性断裂和塑性断裂，即零件断裂之前，在断裂部位出现较为明显的塑性变形。在工程结构中，韧性断裂一般表现为过载断裂，即零件危险截面处所承受的实际应力超过了材料的屈服强度或强度极限而发生的断裂。

韧窝是金属韧性断裂的主要特征。韧窝又称作迭波、孔坑、微孔或微坑等。韧窝是材料在微区范围内塑性变形产生的显微空洞，经形核、长大、聚集，最后相互连接导致断裂后在断口表面留下的痕迹[5]。在外界条件固定的情况下，材料的性能取决于材料的成分和组织结构以及排列方式和空间分布。韧性断裂的形成过程为随着应力的增加，直至断裂。当外载达到屈服应力后，裂纹尖端不断发生位错，塑性区逐渐形成。只要外力不大于整体屈服应力，塑性区中位错的反应力就要阻止裂纹尖端前方进一步的形变。当外载材料到达整体屈服后，塑性区完全横贯整个试样截面，与此同时裂纹尖端前方材料不断发生加工硬化，裂纹本身的扩展一定要在外载不断增加时才能进行。

由位错理论可知，在夹杂物周围堆积着位错环，在没有外力的作用时，位错环受夹杂物的排斥作用以及位错堆积应力的作用而保持平衡状态[6]。当所施加的外力足够大时，夹杂物周围堆积的位错会重新运动起来，位错环向夹杂物运动。当其前沿所累积的弹性应变能足以克服夹杂物与基体之间的界面结合力而形成新表面时，便会形成显微空洞。由于显微空洞的形成使后面的位错受到的排斥力大大降低，从而大量的位错在外力的作用下向新生成的显微空洞运动，使显微空洞长大，原来存在于位错环后面的位错源，由于原来堆积位错的约束消失而重新活跃起来，产生新的位错环，并源源不断地向显微空洞运动，使显微空洞做迅速的不稳定扩展及聚合[7]。由于位错可以在不同的滑移面上堆积，因此显微空洞可由一个或几个滑移面上位错的移动而形成，其它滑移面上的位错向该显微空洞运动而使其长大[8]。金属内部形成的大量显微空洞在外力的作用下不断长大，同时几个相邻显微空洞之间的基体横截面在不断缩小，直至彼此连接导致断裂，形成韧窝断口形貌。

图5 轴断裂表面的点扫描

图6 轴断裂表面的面扫描

3 分析结论及对策

综上，此水泵316L不锈钢轴断裂原因为：钢轴中存在夹杂物，且夹杂物作为独立相存在，破坏了基体的连续性，引起应力集中，成为裂纹源。当轴受到外力作用时，夹杂物难以变形，而它周围的金属在很大张力下发生变形流动，使金属和夹杂物界面分离，形成空隙，由此产生裂纹并加速其扩展，最终导致断裂。

同时，钢中存在组织不均匀性，使钢的力学性能呈各向异性，不但影响钢的横向塑性，降低钢的冲击韧性和断面收缩率，严重时会使钢的塑性和韧性降低导致轴的早断。

图7 断口金相组织

表1 316L不锈钢的元素成分及含量

水泵316L不锈钢轴内存在夹杂物导致断裂，预防措施如下：

（1）落实厂家核查其水泵钢轴的制造过程，针对钢轴中存在夹杂物问题进行针对性整改，如在冶炼过程加强除渣等，要求提供详细的分析整改对策。

（2）加强来料检验，进一步安排对此厂家水泵增加各种非常规恶劣环境试验，验证轴的可靠性。

（3）相关技术人员在入厂检验阶段定期解剖水泵，监控材料杂质含量及各项组织均匀性。

[1] 侯仰海. 农用水泵轴承材料的研究与应用[J]. 农机化研究, 2006, 12:178-179.

[2] 上海金属学会. 金属材料缺陷金相图谱[M]. 上海:上海科学技术出版社, 1996.

[3] 刘天佑. 钢材质量检测[M]. 北京:冶金工业出版社, 1999.

[4] 钟培道. 断裂失效分析[J]. 理化检验. 物理分册. 2005 (07)

[5] 张栋, 钟培道等. 失效分析[M]. 北京:国防工业出版社, 2004.

[6] 张丽萍, 葛建军, 赵爱军. 浅谈钢中夹杂物的控制对钢质量的影响[J]. 包钢技术, 2002, 28(4):85-87.

[7] Bruno Charles De Cooman, John Gordon Speer. Materials Design-The Key to Modern Steel Products [M]. Bad Harzburg: GRIPS Media Gmbh,2007:47-48.

[8] Gladman T. The Physical Metallurgy of Microalloyed Steels[M]. London, The Institute ofMetals, 1997:47-53.

Research of water pump bearing fracture failure reason

ZHANG Xiujuan WU Jiqing
(Gree Electric Appliance, INC.of Zhuhai Zhuhai 519070)

Pumps are often used in heating, cooling, central air conditioning and water heater and the water pump bearing is the key to support the rotor of the centrifugal pump parts. This paper aim at the failure of one manufacturer of water pump bearing samples, through raw material chemical composition test, scanning electron microscopy (SEM) and energy spectrum analysis (EDS) and metallographic analysis, combined with the literature analysis of fracture failure reason and mechanism of water pump bearing, and formulate the corresponding prevention measures.

Water pump; Bearing; Fracture; Failure analysis