40Cr電機(jī)軸斷裂原因分析

楊 維，李 龍

（中交西安筑路機(jī)械有限公司，陜西 西安710200）

電機(jī)是機(jī)械設(shè)備提供動(dòng)力的重要部件，近年來其各類設(shè)備的電機(jī)故障時(shí)有發(fā)生[1，2]。就某工地J3000型攪拌設(shè)備振動(dòng)篩所配備的15 kW三相異步電機(jī)（型號(hào)YE3-160L-4）的電機(jī)軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生斷裂，且該類似的斷軸事故在設(shè)備運(yùn)行初期兩月內(nèi)相繼發(fā)生三起，給用戶和生產(chǎn)廠家均帶來了極大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)悉，該電機(jī)為后備采購(gòu)件，電機(jī)軸最小直徑Φ42 mm，最大直徑Φ55 mm，總長(zhǎng)638 mm，其材料和熱處理工藝要求為40Cr調(diào)質(zhì)。工作過程中該電機(jī)軸承受著扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和交變彎曲應(yīng)力的雙重作用力，零件使用性能要求高；為了找出電機(jī)軸斷裂的主要原因，從理化檢驗(yàn)和強(qiáng)度校核方面進(jìn)行了分析討論。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢驗(yàn)

斷裂位置發(fā)生在電機(jī)軸最大軸徑Φ55 mm與中部Φ44 mm過渡軸肩臺(tái)階根部，緊靠軸承安裝部位，斷裂面與電機(jī)軸軸線垂直，如圖1（a）.電機(jī)斷軸宏觀整體形貌。斷軸宏觀斷口整體平齊、組織細(xì)膩，軸肩臺(tái)階過渡處為直棱角、無過渡圓角，根部加工刀痕粗糙、清晰可見；斷口局部有紅褐色銹蝕痕跡，分布于斷口周向邊緣，說明裂紋源早期萌發(fā)于此，形貌如圖1（b）電機(jī)斷軸宏觀局部形貌。

圖1 電機(jī)斷軸宏觀形貌

進(jìn)一步檢測(cè)發(fā)現(xiàn)緊靠電機(jī)殼體端的電機(jī)軸圓周表面集聚粘附著許多金屬顆粒，并伴有燒灼狀冷焊痕跡，如圖2異常附著形態(tài)。同時(shí)，相應(yīng)部位與其配合安裝的電機(jī)殼體內(nèi)孔有一些異常的凹槽和摩擦流線，以及明顯撕裂痕跡；電機(jī)殼體外側(cè)翻邊毛刺凸出，即零件相互摩擦而產(chǎn)生的塑性變形形態(tài)，見圖3電機(jī)殼異常磨損?？芍姍C(jī)軸與電機(jī)殼之間的磨損機(jī)理為典型的粘著磨損[3]。

圖2 異常附著形態(tài)

圖3 電機(jī)殼異常磨損

1.2 化學(xué)成分分析

從斷軸截取一組試樣，采用光電直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析。結(jié)果如表1斷軸的化學(xué)成分，可知其各元素含量均符合GB/T3077-1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》40Cr鋼材成分要求。

表1 斷軸的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)w t%）

1.3 硬度測(cè)試

用200HRS-150型洛氏硬度計(jì)對(duì)電機(jī)軸斷裂兩部分分別進(jìn)行測(cè)試，數(shù)值見表2洛氏硬度測(cè)試結(jié)果，實(shí)測(cè)硬度范圍23～24.5HRC.資料可查，40Cr材料調(diào)質(zhì)工藝規(guī)范硬度25～30HRC為佳，能獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能和較好的切削加工性能?？梢?，電機(jī)軸硬度偏低。

表2 洛氏硬度測(cè)試結(jié)果H R C

1.4 金相檢驗(yàn)

從電機(jī)斷軸截取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光，然后用4%硝酸酒精溶液（體積分?jǐn)?shù)）侵蝕，通過金相顯微鏡觀察其形態(tài)，材料顯微組織為回火索氏體，如圖4所示。組織正常，未發(fā)現(xiàn)其他異常組織。

圖4 電機(jī)軸顯微組織形態(tài)

1.5 斷口分析

如圖5斷口宏觀形貌所示，疲勞斷口三區(qū)域特征明顯，清晰可見。疲勞裂紋源位于斷口邊緣多處，起始于軸表面，裂紋由邊緣向心部擴(kuò)展，有早期腐蝕痕跡；裂紋擴(kuò)展區(qū)組織細(xì)膩、平整，約占整個(gè)斷面面積的四分之三；瞬斷區(qū)表面粗糙、高低不平，并有明顯的擠壓和磨損痕跡，所占面積相對(duì)較小，說明軸斷裂時(shí)承受的應(yīng)力較小，斷裂后斷面仍存在相對(duì)摩擦作用導(dǎo)致瞬斷放射狀形態(tài)破壞。

圖5 斷口宏觀形貌

通過掃描電鏡進(jìn)一步觀察斷口邊緣的腐蝕痕跡，可見圖6裂紋源微觀形貌。發(fā)現(xiàn)斷口邊緣各裂紋源處均存在開裂臺(tái)階，呈明顯的線源特征[4]，為多源疲勞。說明斷口表面應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重。圖7擴(kuò)展區(qū)微觀形貌可見，裂紋擴(kuò)區(qū)面積較大，疲勞輝紋明顯，疲勞條紋間距較小、密集，說明斷裂件經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的裂紋擴(kuò)展期。

圖6 裂紋源微觀形貌

圖7 擴(kuò)展區(qū)微觀形貌

從上述斷口形貌，可以判斷該電機(jī)軸屬于多源的低應(yīng)力旋轉(zhuǎn)彎曲高周疲勞斷裂。

2 強(qiáng)度校核

電機(jī)軸運(yùn)行旋轉(zhuǎn)過程主要承受扭矩傳動(dòng)力，根據(jù)其強(qiáng)度推薦計(jì)算公式[5]：

式中：d為軸的直徑（mm）；P為傳遞的功率（kW）；n 為軸的轉(zhuǎn)速（r/min）；[τ]為許用扭轉(zhuǎn)剪切力（MPa），C為材料和承載情況確定常數(shù)。

已知：電機(jī)功率P=15 kW，轉(zhuǎn)速n=1 470 r/min，dmin=42 mm，表3可查推薦值C=107（假設(shè)承受最大彎矩，取最大值107），代入數(shù)值得：

由于電機(jī)軸存在鍵槽一個(gè)，軸徑應(yīng)增大5%～7%.

d≥ 23.2×（1+7%）=24.8 mm

電機(jī)軸實(shí)際最小軸徑dmin=42 mm，遠(yuǎn)大于極限載荷強(qiáng)度軸徑要求，設(shè)計(jì)合理。

表3 常用材料的[τ]值和C值

3 分析與討論

從上述理化檢驗(yàn)和強(qiáng)度校核可知，40Cr電機(jī)軸的化學(xué)成分、金相組織均符合技術(shù)要求，軸徑強(qiáng)度設(shè)計(jì)合理，但硬度偏低，電機(jī)斷軸宏觀形貌存在多處異常。

以承載強(qiáng)度角度考慮，雖電機(jī)軸實(shí)測(cè)硬度值23～24.5HRC，比工藝要求硬度低2 HRC，對(duì)40Cr材料的力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生一定影響，但軸徑設(shè)計(jì)尺寸較大，足以彌補(bǔ)強(qiáng)度損失。所以，硬度值偏低，并非電機(jī)軸斷裂的真實(shí)原因。

通過斷軸宏觀形貌檢驗(yàn)可知，電機(jī)軸實(shí)際機(jī)加工過程中存在嚴(yán)重缺陷，其軸肩臺(tái)階根部無過渡圓角、為直棱角，且根部加工刀痕粗糙，如圖1（b）局部形貌。根據(jù)GB/T6403.4-2008《零件倒圓與倒角》規(guī)定，該電機(jī)軸Φ44 mm軸端倒角半徑推薦值應(yīng)為1.6 mm，而實(shí)際加工遠(yuǎn)不滿足機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)定要求。導(dǎo)致該軸局部嚴(yán)重應(yīng)力集中，近而誘發(fā)零件表面大量裂紋萌生，在交變載荷作用下產(chǎn)生疲勞斷裂。同時(shí)，從圖2、圖3電機(jī)軸與電機(jī)殼的異常痕跡可以推斷，它們彼此之間發(fā)生著嚴(yán)重的粘著磨損，通過實(shí)測(cè)后得知電機(jī)殼體內(nèi)孔過小，和電機(jī)軸的安裝關(guān)系為過渡配合，并非間隙配合。導(dǎo)致電機(jī)軸無法自由運(yùn)轉(zhuǎn)，而在驅(qū)動(dòng)運(yùn)行過程中受到了一個(gè)不均衡的摩擦阻力，說明電機(jī)殼的制造、裝配過程極為不當(dāng)。

斷口形貌分析發(fā)現(xiàn)，斷口疲勞裂紋源并非萌發(fā)于斷面某一局部位置，而是分布于整個(gè)斷口邊緣多處，呈多源特征；而多源疲勞又是應(yīng)力集中引起疲勞失效的重要特征。依據(jù)疲勞斷口三個(gè)區(qū)域的明顯形貌特征綜合判斷，該電機(jī)軸的斷裂為多源的低應(yīng)力旋轉(zhuǎn)彎曲高周疲勞斷裂。

同時(shí)，電機(jī)軸在服役運(yùn)行過程不僅承受驅(qū)動(dòng)扭矩，還要承受電機(jī)殼摩擦阻力造成的彎曲應(yīng)力，其主要受力為交變的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，零件的應(yīng)力狀態(tài)和斷口特征是完全相吻合。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）該40Cr電機(jī)軸的斷裂形式為多源的低應(yīng)力旋轉(zhuǎn)彎曲高周疲勞斷裂。

（2）零件機(jī)加工過程存在的嚴(yán)重缺陷，如軸肩臺(tái)階根部的直棱角和粗糙刀痕（未倒過渡圓角），形成了嚴(yán)重應(yīng)力集中區(qū)，是誘發(fā)電機(jī)軸斷裂的主要原因；同時(shí)因電機(jī)軸與電機(jī)殼的制造裝配極為不當(dāng)，促使它們彼此之間發(fā)生了嚴(yán)重的粘著磨損，而在電機(jī)軸驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受到了一個(gè)不均衡的摩擦阻力，加快了電機(jī)軸的斷裂，也是導(dǎo)致該軸斷裂的重要原因。

（3）理化檢驗(yàn)過程雖發(fā)現(xiàn)電機(jī)軸實(shí)測(cè)硬度偏低，對(duì)40Cr材料的力學(xué)性能有一定影響，但材料金相組織正常，軸徑設(shè)計(jì)尺寸較大，足以來彌補(bǔ)零件強(qiáng)度的損失。從斷口形貌觀察推斷，該電機(jī)軸在交變載荷作用下發(fā)生了低應(yīng)力高周疲勞斷裂，材料硬度因素并非為40Cr電機(jī)軸斷裂的真實(shí)原因。

（4）為了避免電機(jī)軸后期發(fā)生類似斷裂失效問題，建議應(yīng)從零件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、過程控制等方面層層把關(guān)，嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，徹底防止軸肩臺(tái)階根部刀痕、過渡圓角不規(guī)范等造成的應(yīng)力集中和制造安裝不當(dāng)引起的磨損失效問題，以及材料性能指標(biāo)異?，F(xiàn)象，保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的各種不利因素降到最低。