20CrNiMo鋼屬于低碳合金鋼，常用于制造中小型機械配件軸承、軸承的的發(fā)動機和傳動系統(tǒng)中的齒輪或軸承。擺線液壓馬達聯(lián)動軸承，在馬達壽命試驗時發(fā)生斷裂。該型聯(lián)動軸承在進行壽命試驗時，承受扭矩為600N·m，轉(zhuǎn)速180r/min，壽命要求＞60h，此次壽命試驗共測試3次，均在6~8h出現(xiàn)了斷裂，為此與以往的齒面疲勞磨損導(dǎo)致的失效形成進行了對比?，F(xiàn)對其中1根斷裂的聯(lián)動軸進行原因分析。該零件由20CrNiMo鋼棒料加工制造，其生產(chǎn)工藝流程為：下料→車削→滾齒→熱處理→拋丸→清洗→成檢。
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型號
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內(nèi)部結(jié)構(gòu)
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外徑mm
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內(nèi)徑mm
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高度mm
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軸向負荷（動）kN
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徑向負荷（動）kN
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極限轉(zhuǎn)速r/min
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精度
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重量kg
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價格（單價，含稅）
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工期
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質(zhì)保
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010.30.560
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 ?
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662
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458
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80
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578
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215
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?
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Q6
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95
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2700
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20天
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一年
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YRT460
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 ?
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600
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460
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70
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355
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200
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120
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P5
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45
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7800
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現(xiàn)貨
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一年
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YRT580
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750
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580
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90
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490
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228
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80
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P5
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89
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12000
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現(xiàn)貨
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一年
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一、檢驗過程與結(jié)果
（1）宏觀檢測聯(lián)動軸斷裂宏觀形貌如圖1所示，聯(lián)動軸承在反復(fù)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，軸心部有少量的塑性變形，扭轉(zhuǎn)斷口與軸向呈45°角，斷口部分呈鋸齒狀，結(jié)合失效時間，初步判定為扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。
圖1? 聯(lián)動軸承斷裂宏觀形貌
（2）化學(xué)成分分析對該聯(lián)動軸化學(xué)成分進行分析，結(jié)果見表1?；瘜W(xué)成分符合要求。
表1? 化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）檢測結(jié)果? ?（%）
（3）硬度檢測該零件技術(shù)要求：表面硬度57~62HRC，心部硬度30~45HRC，有效硬化層深度為0.6~0.9mm。該聯(lián)動軸表面硬度59~60HRC，心部硬度35~37HRC，有效硬化層深度為0.79mm，符合技術(shù)要求。
（4）金相檢驗該零件熱處理金相組織要求：表層回火馬氏體≤5級，殘留奧氏體≤5級，碳化物≤3級。如圖2所示，該聯(lián)動軸表層回火馬氏體為5級，殘留奧氏體為5級，碳化物為1級，符合技術(shù)要求。對斷口處進行非金屬夾雜物的檢測（見圖3）測試結(jié)果：A1.0，B3.0，C0.5，D3.0，DS0.5，發(fā)現(xiàn)斷口附近有大量B類、D類非金屬夾雜物。
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圖2? 金相組織
綜上檢驗結(jié)果分析，該20CrNiMo鋼聯(lián)動軸的化學(xué)成分、硬度、熱處理金相組織均符合技術(shù)要求，非金屬夾雜物級別過高。其中，回火馬氏體及殘留奧氏體級別偏上限。研究表明，一定含量的殘留奧氏體反而能松弛鋼中的應(yīng)力、沖擊吸收能量，緩沖相變馬氏體的沖擊力，減少顯微裂紋，增強抗疲勞性能。
另外，鋼中非金屬夾雜物對疲勞性能的影響一方面取決于夾雜物的類型、數(shù)量、尺寸、形狀和分布；另一方面受鋼基體組織和性質(zhì)制約，與基體結(jié)合力弱的尺寸大的脆性夾雜物和球狀不變形夾雜物的危害。該聯(lián)動軸斷口表層附近，發(fā)現(xiàn)大量的B類、D類非金屬夾雜物，本質(zhì)上是脆性夾雜物。由于脆性夾雜物不能傳遞鋼基體中的應(yīng)力，從而誘發(fā)疲勞裂紋，且脆性夾雜物在應(yīng)力作用下會因碎裂而產(chǎn)生開裂，更易產(chǎn)生疲勞裂紋。聯(lián)動軸在反復(fù)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，在這些脆性夾雜物附近產(chǎn)生多個疲勞源及微裂紋，裂紋沿與軸線呈45°的兩個方向發(fā)展，最終形成部分鋸齒狀斷面，導(dǎo)致聯(lián)動軸在測試過程中發(fā)生異常疲勞斷裂。
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三、結(jié)論和建議
該型20CrNiMo鋼聯(lián)動軸承壽命試驗發(fā)生早期斷裂的原因，是由于鋼中B類及D類脆性非金屬夾雜物級別過高導(dǎo)致的。因此，在以后的生產(chǎn)過程中，應(yīng)加強對原材料非金屬夾雜物的檢測，嚴格執(zhí)行驗收標準，見表2。通過上述措施，可解決聯(lián)動軸在壽命測試時發(fā)生異常斷裂的問題。
表2? 非金屬夾雜物驗收標準? （級）
變槳軸承的結(jié)構(gòu)形式通常有單排四點接觸球軸承和雙排同徑四點接觸球軸承兩類，驅(qū)動形式有無齒、內(nèi)齒、外齒三類。本文獲得的樣品為風(fēng)電場提供的1.5MW風(fēng)力發(fā)電機組的一開裂變槳軸承，其結(jié)構(gòu)為內(nèi)齒驅(qū)動的雙排同徑四點接觸球軸承。
一、宏觀分析
（1）外觀檢驗本文進行失效分析的對象包括軸承內(nèi)圈（2塊，其中一塊含有裂紋）、軸承外圈（2塊）、滾子（10個），分析變槳軸承樣塊的外觀尺寸，可確定該軸承為內(nèi)齒雙排同徑四點接觸球軸承。測得外圈高度H=158mm，外圈安裝孔直徑Dn=33mm，內(nèi)圈安裝孔直徑dn=33mm，鋼球直徑Dw=40mm。參照GB/T 29717—2013《滾動軸承風(fēng)力發(fā)電機組偏航、變槳軸承》中表5，可判斷該變槳軸承的型號應(yīng)為FD-033.40.1900.03K。其材料為42CrMo，預(yù)備熱處理方式為調(diào)質(zhì)處理。FD-033.40.1900.03K型軸承的外形尺寸如表1所示。
表1 FD-033.40.1900.03K軸承外形尺寸? ? （mm）
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（2）斷口宏觀檢驗宏觀可觀察到軸承內(nèi)圈螺栓孔附近有一條長約70mm的裂紋，從齒根向滾道方向擴展，未完全穿透整個軸承截面，如圖1所示。用線切割取出裂紋（斷口），經(jīng)清洗后拍照，如圖2所示。從斷口宏觀形貌可以觀察到典型的貝紋線特征，表明變槳軸承為疲勞開裂。從貝紋線走向，可判斷疲勞源位于變槳軸承內(nèi)圈輪齒的齒根處。
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圖1? 變槳軸承內(nèi)圈上的裂紋
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圖2? 變槳軸承內(nèi)圈裂紋斷口宏觀形貌
（3）摩擦磨損表面宏觀檢驗用超景深數(shù)碼顯微鏡分別觀察軸承內(nèi)圈輪齒、軸承套圈滾道以及軸承滾子的表面形貌，其中輪齒表面形貌如圖3所示。圖中的豎直條紋為機加工形成的表面磨痕，齒輪運行過程因接觸疲勞產(chǎn)生了細小的點蝕坑。
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圖3? 輪齒表面形貌
滾子表面形貌如圖4所示，可觀察到在滾子表面有較粗大的接觸疲勞點蝕坑形成。
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圖4? 滾子表面形貌
軸承內(nèi)圈、外圈滾道表面形貌分別如圖5、圖6所示，在滾道表面可觀察到大量的點蝕坑，同時表面還有微裂紋形成。
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圖5? 軸承內(nèi)圈滾道表面形貌
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圖6? 軸承外圈滾道表面形貌
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二、化學(xué)成分分析
分別從軸承內(nèi)外圈切取30mm×30mm×30mm試塊，表面經(jīng)砂輪打磨后用直讀光譜儀測試軸承內(nèi)外圈材料的化學(xué)成分，結(jié)果如表2所示。與GB/T29717—2013《滾動軸承風(fēng)力發(fā)電機組偏航、變槳軸承》對照，軸承內(nèi)外圈材料碳含量及主要合金元素含量均與42CrMo鋼符合。
表2? 變槳軸承材料成分（質(zhì)量分數(shù)）? （%）
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三、金相分析
（1）軸承內(nèi)圈淬硬層深度測試從變槳軸承內(nèi)圈裂紋附近垂直于滾道方向取樣，制備金相試樣，經(jīng)4%硝酸酒精浸蝕，用數(shù)碼相機拍照，如圖7所示，可見整個滾道表面淬硬層深度分布不均勻。
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圖7? 軸承內(nèi)圈截面金相樣品全貌
用數(shù)碼顯微鏡觀察淬硬層的低倍金相組織，如圖8所示。分別測量圖7中各點的淬硬層深度，結(jié)果如表3所示。
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圖8? 軸承內(nèi)圈宏觀金相
表3? 淬硬層深度測試結(jié)果? (μm)
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由表3可見，其軸承內(nèi)圈滾道淬硬層深度在1.03~2.6mm分布。參照GB/T 29717—2013《滾動軸承風(fēng)力發(fā)電機組變槳、偏航軸承》，對于鋼球直徑Dw=40mm的變槳軸承，淬硬層深度應(yīng)≥3.5mm。本變槳軸承內(nèi)圈滾道表面淬硬層深度未達到國標要求。
（2）軸承外圈淬硬層深度測試用同樣方法制備軸承外圈金相試樣，如圖9所示，可見其滾道表面淬硬層深度分布不均，且淬硬層深度顯然未達到3mm。
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圖9? 軸承外圈截面金相樣品全貌
用數(shù)碼顯微鏡觀察軸承外圈淬硬層的低倍金相組織，如圖10所示。分別測量圖10中各點的淬硬層深度，結(jié)果如表4所示。可見其滾道淬硬層深度在0.9~2.9mm分布，未達到GB/T 29717—2013所要求的≥3.5mm。
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圖10? 軸承內(nèi)圈宏觀金相
表4? 淬硬層深度測試結(jié)果
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（3）夾雜物分析軸承套圈金相試樣拋光后未浸蝕的金相組織如圖11所示，可見其夾雜物主要為球狀（D類）細系，可評為1.0~1.5級。GB/T 29717—2013中對42CrMo軸承套圈材料要求D類非金屬夾雜物不超過1.0級?？梢娛лS承套圈材料中的非金屬夾雜物略有超標。
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圖11? 變槳軸承套圈夾雜物分析（100×）
（4）軸承內(nèi)圈金相組織分析在軸承內(nèi)圈金相試樣中可見大量的顯微裂紋，主要分布于淬硬層內(nèi)，無特定的走向，如圖12所示。在母材中未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋。
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圖12? 變槳軸承內(nèi)圈淬硬層中的顯微裂紋
軸承內(nèi)圈材料淬硬層金相組織如圖13所示，其組織為回火馬氏體，晶粒較為粗大。
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圖13? 變槳軸承內(nèi)圈淬硬層金相組織（400×）
軸承內(nèi)圈材料母材金相組織如圖14所示，其組織為塊狀鐵素體+回火索氏體。組織不均勻，并且鐵素體有呈網(wǎng)狀分布的趨勢。
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圖14 變槳軸承內(nèi)圈母材金相組織（400×）
（5）軸承外圈金相組織分析軸承外圈材料淬硬層金相組織如圖15所示，為回火馬氏體組織，與軸承內(nèi)圈相比，組織均勻細小。軸承外圈母材組織如圖16所示，為回火索氏體+鐵素體，組織均勻性差，與軸承內(nèi)圈的組織特征基本相同。
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圖15? 變槳軸承外圈表面淬硬層金相組織（400×）
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圖16 變槳軸承外圈母材金相組織（400×）
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四、力學(xué)性能測試
（1）硬度用金相試樣測試軸承內(nèi)圈、外圈的硬度如表5所示。軸承滾子、軸承套圈滾道淬硬層的硬度達到GB/T 29717—2013要求。但軸承套圈母材硬層均未達到GB/T 29717—2013要求的260~300HBW。
表5? 軸承套圈材料的硬度
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（2）拉伸性能從變槳軸承內(nèi)圈沿圓周的切向取樣，加工圓柱拉伸試樣。取樣位置及方向如圖17所示。
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圖17? 取樣位置和方向示意
測得變槳軸承內(nèi)圈材料的拉伸性能如表6所示，其各項指標均符合JB/T 6396—2006《大型合金鋼鍛件技術(shù)條件》。
表6? 變槳軸承內(nèi)圈材料的室溫拉伸性能（20℃）
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（3）沖擊性能從軸承內(nèi)圈沿切向取樣（參見圖17），加工V型缺口夏比沖擊試樣。測得軸承內(nèi)圈材料的室溫和低溫沖擊吸收能量，如表7所示。其-40℃下的沖擊吸收能量未達到GB/T 29717—2013要求。
表7 變槳軸承內(nèi)圈材料的沖擊性能
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五、斷口掃描電鏡分析
用掃描電鏡（SEM）觀察分析軸承內(nèi)圈斷口（裂紋）的顯微形貌，圖2中的疲勞源A區(qū)SEM形貌如圖18所示。放大后可見該疲勞源區(qū)微觀形貌呈典型的沿晶斷裂特征，如圖19所示。
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圖18? 疲勞源區(qū)SEM斷口宏觀形貌
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圖19? 圖18中的疲勞源1區(qū)的SEM顯微形貌
疲勞源從輪齒的齒根處形成，齒根表面有大面積的氧化或腐蝕產(chǎn)物存在，如圖20所示。用能譜分析裂紋源附近齒根的表面成分，其能譜圖如圖21所示，元素定量結(jié)果如表8所示。
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圖20? 疲勞源附近齒根表面SEM顯微形貌
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圖21? 疲勞源附近齒根表面能譜圖
表8? 疲勞源區(qū)次表面腐蝕產(chǎn)物能譜成分分析? ?（%）
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疲勞擴展區(qū)SEM微觀形貌如圖22所示，呈準解理斷裂特征。因裂紋尚未穿透軸承截面發(fā)生斷裂，斷口上無瞬斷區(qū)。
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圖22? 疲勞擴展區(qū)的SEM顯微形貌
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六、分析結(jié)論
綜合以上對產(chǎn)生裂紋的變槳軸承套圈材料的化學(xué)成分、金相組織、力學(xué)性能以及斷口形貌的分析結(jié)果，得出以下結(jié)論：
（1）失效變槳軸承內(nèi)圈為疲勞破壞，疲勞源位于輪齒的齒根應(yīng)力集中處。
（2）測得變槳軸承內(nèi)外圈滾道淬硬層深度0.9~2.9mm，未達到GB/T 29717—2013對于鋼球直徑Dw= 40mm的變槳軸承淬硬層深度應(yīng)≥3.5mm要求；軸承內(nèi)圈淬硬層中出現(xiàn)的顯微裂紋與淬硬層深度不足和淬硬層組織粗大有關(guān)。
（3）軸承內(nèi)外圈母材組織不均勻，鐵素體存在網(wǎng)狀分布趨勢；套圈材料的硬度和低溫沖擊吸收能量均偏低，不滿足GB/T 29717—2013要求，與材料鍛造或熱處理工藝有關(guān)。
（4）軸承套圈材料化學(xué)成分符合GB/T 29717—2013要求。
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七、討論
金屬材料失效一直是個重要且不可避免的話題，也因此，我們即將再次舉辦金屬材料分析大會，邀請學(xué)者共同研討，感興趣的同行點擊下方圖片報名參加吧！
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（1）軸承失效過程由于軸承滾道淬硬層深度不夠，在軸承運行過程中首先在滾道表面發(fā)生接觸疲勞，導(dǎo)致在滾道表面產(chǎn)生大量的點蝕坑，引起軸承精度降低，振動加劇；隨后在軸承內(nèi)圈輪齒的齒根應(yīng)力集中處產(chǎn)生疲勞裂紋源，由于軸承套圈材料硬度不足，低溫韌性差，導(dǎo)致疲勞裂紋快速擴展而失效。
（2）建議風(fēng)力發(fā)電機組變槳軸承的失效，除了運行中受到不均勻交變載荷以及沖擊外，制造過程中的鍛造、熱處理以及材質(zhì)控制尤為重要，風(fēng)電企業(yè)應(yīng)重視大部件生產(chǎn)過程中的駐場監(jiān)造環(huán)節(jié)，嚴格控制生產(chǎn)過程，杜絕生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)控制不當(dāng)而對后期的安全生產(chǎn)埋下隱患。
