電機軸失效分析
2015-08-07 瀏覽量：3904
1.背景介紹
某型主電機搭載公交車上，運行約14萬千米后，電機軸斷裂。為找出斷裂原因，給改善產品質量提供依據，需做失效分析。考慮到靠端蓋的殘余段頂部在斷后被人為敲擊（圖1），而斷裂分離出的大斷件斷后未受敲擊（圖2），因此，失效分析將大斷件列為主要分析對象，殘余斷件做參考。
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2 檢查分析
2.1 外觀觀查
如圖3所示，電機軸斷口有銹跡，斷口右側頂部局部外翻，是碰撞變形痕跡，斷口周邊沒有斷前塑性變形和高溫氧化色。斷面與軸線大致呈45°角，斷口形貌可區分為A-裂紋源區，B-裂紋擴展區，和C-最后快速斷裂區三個區域。其中在B-裂紋擴展區域有清晰可見的疲勞擴展條帶，疲勞源區與疲勞擴展區面積略大于整個斷口面積的1/2。隨著疲勞裂紋擴展，疲勞弧線法線方向按順時針方向發生偏轉，為彎曲扭轉疲勞斷裂特征。
如圖4所示，檢查軸側面與裂紋源區對應位置，在矩形框內發現有凹坑。
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如圖5所示，疲勞裂紋源區所在軸向長度離花鍵端面約193毫米，剛好在電機軸幾何臺階附近（圖6）。臺階位置因幾何形狀突變，應力集中較大，本身是危險斷裂區。
如圖7所示，斷軸有四條花鍵在定位套外邊緣位置出現臺階，并且有臺階的區域表面高溫氧化，且臺階表面壓痕與定位套內邊緣輪廓吻合；而定位套邊緣沒有臺階的半周則沒有高溫氧化痕跡（如 圖8）。
根據以上描述，再檢查定位套內邊緣，局部區域也有壓傷痕跡（圖9）。自此確定軸花鍵上的新增臺階是被定位套內邊緣擠壓出來的。
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2.2 顯微檢查
如圖10所示，次表面位置A所在區域發散條紋最后收斂于圖中的折疊缺陷，確認折疊缺陷是疲勞裂紋源。對折疊缺陷右上方孔洞，即圖4中的凹坑缺陷放大檢查（如圖11），發現孔洞兩側顏色不同，折疊表面是高溫氧化色，沒有新斷面，孔洞兩側輪廓不匹配，是在出廠前就存在的缺陷。
檢查靠蓋板半邊斷口形貌，在對應位置同樣發現有折疊的缺陷特征（圖12、13）。
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如圖14所示，鍵槽表面新增臺階兩側沒有磨痕。檢查臺階側面（圖15），臺階斜面大約與花鍵軸表面呈150°夾角。臺階右側，即朝向端蓋的花鍵表面下沉，并且越靠近臺階處，下沉越大，在花鍵軸端部恢復原始表面高度，即表面是傾斜的。這與擠出特征相吻合。
2.2 硬度試驗
對主軸切片，檢驗心部和表面淬火層硬度。心部硬度HV1在314～324.5區間；表層淬硬層HV1硬度在485.9～503之間。硬度符合電機軸使用要求。
2.3 金相檢查
在裂紋源附近的折疊缺陷處縱向取樣，拋光后未腐蝕檢查，在開裂處有氧化物（圖16）。腐蝕后檢查，次表層內開裂處邊緣白色組織是嚴重脫碳層組織（圖17），據此推斷此處裂紋是鍛造裂紋。
在100X下檢查心部金相組織（圖18），發現有明顯的帶狀組織，按GB/T13299評定帶狀組織級別為3級。在裂紋源附近的鍛造缺陷處檢查（圖19），發現早期開裂位置是在帶狀組織的界面上，裂口兩邊有金屬流線特征。
軸心部組織主要為塊狀F+B，由于存在帶狀組織，導致熱處理組織不均勻（圖20）。
在裂紋源附近橫向取樣，檢查淬硬層深4.5毫米，組織為隱晶M+細小塊狀F。
2.4 EDS微區成分探測
圖22 是對圖19中的鍛造缺陷作掃描電鏡圖像，標示有1、2、3、4的微小區域是EDS能譜分析探測范圍。
圖23～26依次為對微區1～4的EDS能譜分析圖，表1為分析結果。綜合來看，區1主要是非金屬成分；區2和區3成分相近，主要是金屬氧化物成分；區4是基體金屬成分。
EDS分析結果證明在次表層位置出現的裂紋，內部已經嚴重氧化，是鍛造不當造成的。
2.5 化學成分分析
采用直讀光譜儀檢查材料化學成分，分析結果見表2，所有元素含量都在42CrMo正常范圍內，沒有出現錯料現象。
3 理論分析
3.1 軸斷裂原因分析
電動機工作過程中，電機軸主要受扭矩力和自身重力向下的彎曲力矩作用，在軸表面應力最大，疲勞裂紋傾向于在軸表面或次表面位置產生。電機軸臺階位置，由于幾何突變，應力集中大，是危險斷裂區。 當存在折疊缺陷等鍛造缺陷時，疲勞強度顯著降低，特別是在臺階部位的折疊缺陷，導致電機主軸過早產生疲勞裂紋。
當主軸材料內部有帶狀組織缺陷時，材料成分和組織不均勻，F含量少的條帶夾在塑性較好的高F條帶之間，脆性大，容易開裂。材料橫向機械性能比縱向機械性能低很多，疲勞裂紋在彎曲力和扭力橫向作用下，快速擴展，發生斷裂。
4 結論
次表面折疊缺陷降低電機主軸的表面強度，電機主軸工作過程中，在彎矩力與扭矩力共同作用下，在次表面折疊缺陷位置過早產生疲勞裂紋。材料內部的帶狀組織對疲勞裂紋產生和擴展起促進作用。
*** 報告結束 ***
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