電動機(jī)軸斷裂失效研究

徐宏偉

摘 要：對錦州石化富馬酸車間發(fā)生斷裂的電動機(jī)軸進(jìn)行失效分析，采用掃描電鏡、金相檢查拍攝微觀組織和斷裂部位照片，結(jié)合成分分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該電動機(jī)軸斷裂屬于疲勞斷裂，裂紋的起源部位位于表層，并在交變載荷的作用下向材料內(nèi)部擴(kuò)展，最終形成斷裂。造成斷裂的主要原因是由于加工缺陷，造成內(nèi)部夾雜，形成了斷裂源。

關(guān)鍵詞：失效分析；疲勞斷裂

中圖分類號：[TM3] 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-3520（2013）-12-0233-01

1、概述

電動機(jī)廣泛應(yīng)用于制造、生產(chǎn)、運輸?shù)壬鐣?jīng)濟(jì)生活的各個領(lǐng)域。轉(zhuǎn)子軸是電動機(jī)產(chǎn)生動力與輸出動力的重要部分，是電機(jī)結(jié)構(gòu)的核心部件。在整個機(jī)體結(jié)構(gòu)中處于重要的位置。由于頻繁的啟動、載荷變化等，使轉(zhuǎn)子軸的故障成為電動機(jī)的主要故障之一[1-3]。

錦州石化公司富馬酸車間的一臺往復(fù)式壓縮機(jī)，于1999年10月投入運行，在間斷運行了3200小時后，其電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸突然發(fā)生了斷裂。軸的轉(zhuǎn)速為300rpm， 材質(zhì)為45號鋼，加工過程為鍛造后進(jìn)行車削加工。針對此次現(xiàn)場發(fā)生失效問題，我們采用掃描電鏡等分析手段對其斷裂失效的原因進(jìn)行了分析。

2、監(jiān)測結(jié)果

2.1 宏觀形貌分析

電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸的宏觀斷口形貌見圖1，從整個斷口斷裂情形上看，屬于一個多源斷裂的形式，且整個斷面呈現(xiàn)螺旋狀特征，典型斷面至少有四個，即圖中A、B、C、D四個區(qū)域，其中最大的斷面為C斷面，在C斷面的臨近處，即在軸心區(qū)域（箭頭所指部位），肉眼可見一條具有金屬光澤的粗糙區(qū)域 ，應(yīng)該為C、D區(qū)域的最終斷裂重合區(qū)。 在交匯處可見明顯的臺階狀形貌。在疲勞區(qū)能清晰的觀察到貝殼線。

A、 B區(qū)域的局部圖片見圖2，C區(qū)局部圖見圖3。在從三個區(qū)域的圖片可以初步判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的斷裂形式為疲勞斷裂，每個區(qū)域的大面積光滑區(qū)域為疲勞區(qū)，偏轉(zhuǎn)區(qū)域較粗糙，為疲勞斷裂的最后破斷區(qū)。 破斷區(qū)面積占總面積約20%左右。從圖可明顯可見裂紋起源于外表面，并向內(nèi)部擴(kuò)展。另根據(jù)電機(jī)軸外表面狀態(tài)進(jìn)行觀察，可看到，外表面局部有刀痕等表面缺陷。

圖2 A、B區(qū)域局部放大圖

2.2 掃描電鏡分析

分別采用掃描電鏡對斷裂區(qū)域進(jìn)行觀察。其結(jié)果如下圖所示

圖4-圖6A區(qū)域的微觀形貌，可以觀察到，在近裂紋源附近的斷口形貌主要為解理斷裂，說明材料的韌性較差。在疲勞區(qū)可以看到疲勞輝紋主要為波浪型。在圖7的高倍電鏡觀察中可以看到方形的夾雜物，而斷裂的條紋就起源于方形的夾雜物。

圖7為B區(qū)的微觀形貌，疲勞區(qū)可見波浪型輝紋，破斷區(qū)為解理斷裂形貌。圖8為C區(qū)斷裂微觀形貌，同A、B區(qū)斷裂形似相同，疲勞區(qū)可見輝紋，破斷區(qū)主要為解理斷裂，并且在疲勞區(qū)可見密集分布的斷面二次裂紋。

4、結(jié)論及建議

電機(jī)軸的斷裂屬于疲勞斷裂，裂紋的起源部位位于表層，并在交變載荷的作用下向材料內(nèi)部擴(kuò)展，最終形成斷裂。導(dǎo)致斷裂主要原因包括：

（1）表面光潔度不高，另外有表面刀痕等表面加工缺陷等，導(dǎo)致了裂紋的早期萌生；

（2）金相組織不夠優(yōu)良，晶粒粗大和網(wǎng)狀鐵素體的存在，以及較硬的TiN夾雜物的局部聚集等因素，使材料的疲勞極限降低，促進(jìn)了裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，另外晶粒粗大等組織缺陷致使材料屈服強(qiáng)度低，這也是疲勞過早萌生的一大因素。

針對以上情況，建議采取以下改進(jìn)措施：

（1）調(diào)質(zhì)處理：正確的調(diào)質(zhì)處理，加以感應(yīng)表面淬火或表面噴丸處理，則耐疲勞效果更佳。

（2）提高表面加工質(zhì)量，盡力減少應(yīng)力集中。