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电机轴失效分析

2019-04-17

　　1.背景介绍

　　某型主电机搭载公交车上，运行约14万千米后，电机轴断裂。为找出断裂原因，给改善产品质量提供依据，需做失效分析。考虑到靠端盖的残余段顶部在断后被人为敲击（图1），而断裂分离出的大断件断后未受敲击（图2），因此，失效分析将大断件列为主要分析对象，残余断件做参考。

　　2　检查分析
　　2.1外观观查
　　如图3所示，电机轴断口有锈迹，断口右侧顶部局部外翻，是碰撞变形痕迹，断口周边没有断前塑性变形和高温氧化色。断面与轴线大致呈45°角，断口形貌可区分为A-裂纹源区，B-裂纹扩展区，和C-Z后快速断裂区三个区域。其中在B-裂纹扩展区域有清晰可见的疲劳扩展条带，疲劳源区与疲劳扩展区面积略大于整个断口面积的1/2。随着疲劳裂纹扩展，疲劳弧线法线方向按顺时针方向发生偏转，为弯曲扭转疲劳断裂特征。
　　如图4所示，检查轴侧面与裂纹源区对应位置，在矩形框内发现有凹坑。

　　如图5所示，疲劳裂纹源区所在轴向长度离花键端面约193毫米，刚好在电机轴几何台阶附近（图6）。台阶位置因几何形状突变，应力集中较大，本身是危险断裂区。
　　如图7所示，断轴有四条花键在定位套外边缘位置出现台阶，并且有台阶的区域表面高温氧化，且台阶表面压痕与定位套内边缘轮廓吻合；而定位套边缘没有台阶的半周则没有高温氧化痕迹（如图8）。

　　根据以上描述，再检查定位套内边缘，局部区域也有压伤痕迹（图9）。自此确定轴花键上的新增台阶是被定位套内边缘挤压出来的。

　　2.2显微检查
　　如图10所示，次表面位置A所在区域发散条纹Z后收敛于图中的折叠缺陷，确认折叠缺陷是疲劳裂纹源。对折叠缺陷右上方孔洞，即图4中的凹坑缺陷放大检查（如图11），发现孔洞两侧颜色不同，折叠表面是高温氧化色，没有新断面，孔洞两侧轮廓不匹配，是在出厂前就存在的缺陷。
　　检查靠盖板半边断口形貌，在对应位置同样发现有折叠的缺陷特征（图12、13）。

　　如图14所示，键槽表面新增台阶两侧没有磨痕。检查台阶侧面（图15），台阶斜面大约与花键轴表面呈150°夹角。台阶右侧，即朝向端盖的花键表面下沉，并且越靠近台阶处，下沉越大，在花键轴端部恢复原始表面高度，即表面是倾斜的。这与挤出特征相吻合。

　　2.2硬度试验

　　对主轴切片，检验心部和表面淬火层硬度。心部硬度HV1在314～324.5区间；表层淬硬层HV1硬度在485.9～503之间。硬度符合电机轴使用要求。

　　2.3金相检查
　　在裂纹源附近的折叠缺陷处纵向取样，抛光后未腐蚀检查，在开裂处有氧化物（图16）。腐蚀后检查，次表层内开裂处边缘白色组织是严重脱碳层组织（图17），据此推断此处裂纹是锻造裂纹。
　　在100X下检查心部金相组织（图18），发现有明显的带状组织，按GB/T13299评定带状组织级别为3级。在裂纹源附近的锻造缺陷处检查（图19），发现早期开裂位置是在带状组织的界面上，裂口两边有金属流线特征。
　　轴心部组织主要为块状F+B，由于存在带状组织，导致热处理组织不均匀（图20）。

　　在裂纹源附近横向取样，检查淬硬层深4.5毫米，组织为隐晶M+细小块状F。

　　2.4EDS微区成分探测
　　图22是对图19中的锻造缺陷作扫描电镜图像，标示有1、2、3、4的微小区域是EDS能谱分析探测范围。
　　图23～26依次为对微区1～4的EDS能谱分析图，表1为分析结果。综合来看，区1主要是非金属成分；区2和区3成分相近，主要是金属氧化物成分；区4是基体金属成分。
　　EDS分析结果证明在次表层位置出现的裂纹，内部已经严重氧化，是锻造不当造成的。

　　2.5化学成分分析
　　采用直读光谱仪检查材料化学成分，分析结果见表2，所有元素含量都在42CrMo正常范围内，没有出现错料现象。

　　3　理论分析
　　3.1轴断裂原因分析
　　电动机工作过程中，电机轴主要受扭矩力和自身重力向下的弯曲力矩作用，在轴表面应力Z大，疲劳裂纹倾向于在轴表面或次表面位置产生。电机轴台阶位置，由于几何突变，应力集中大，是危险断裂区。当存在折叠缺陷等锻造缺陷时，疲劳强度显著降低，特别是在台阶部位的折叠缺陷，导致电机主轴过早产生疲劳裂纹。
　　当主轴材料内部有带状组织缺陷时，材料成分和组织不均匀，F含量少的条带夹在塑性较好的高F条带之间，脆性大，容易开裂。材料横向机械性能比纵向机械性能低很多，疲劳裂纹在弯曲力和扭力横向作用下，快速扩展，发生断裂。

　　4　结论
　　次表面折叠缺陷降低电机主轴的表面强度，电机主轴工作过程中，在弯矩力与扭矩力共同作用下，在次表面折叠缺陷位置过早产生疲劳裂纹。材料内部的带状组织对疲劳裂纹产生和扩展起促进作用。