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叉車電機軸斷裂失效分析

2019-04-19

（美信檢測）

　　1　引言
　　某型電機是叉車行走電機，出廠前做行走測試時電機軸斷裂。為找出斷裂原因，給改善產(chǎn)品質(zhì)量提供依據(jù)，需做失效分析。圖1為送檢的斷軸；圖2是與斷軸同批次生產(chǎn)，未使用的新軸，做失效分析對比用。為后面敘述方便，在圖1中標出斷口位置，斷口左邊的部分標為“前段”，斷口右邊的部分用“后段”表示；在圖2中，將斷裂處的R用“根圓”標示，電機軸有3處軸承配合表面，分別用S1～S3標示。

　　2　檢查分析
　　2.1外觀檢查
　　圖3是斷軸的前段，也是電機軸的輸出部分，檢查表面沒有高溫氧化色，也沒有彎曲變形或頸縮現(xiàn)象。圖中四邊形內(nèi)，S1表面有擦碰痕跡，在右側(cè)S2表面沒有擦碰痕跡。S3與S2表面狀態(tài)相同，又遠離斷點，不再貼圖。
　　如圖4所示，后段與定子線束對應(yīng)位置發(fā)現(xiàn)藍色高溫氧化色。失效后廠家檢查電機定子線束沒有燒蝕或短路現(xiàn)象，再考慮到電機有超溫保護跳閘功能，因此分析斷軸上的表面氧化色是裝配時形成的，與此次電機軸斷裂無關(guān)。
　　圖5、圖6分別為前段、后段斷口。兩部分斷口吻合度高，斷口平齊，斷面與軸向大致垂直。

　　2.2顯微檢查
　　圖7、圖8是斷口形貌圖。斷口圓周邊緣有若干下凹點，產(chǎn)生裂紋（白色箭頭標示處），由表向內(nèi)擴展，是裂紋源區(qū)，用A表示；B區(qū)觀察到若干同心圓的周向擴展條紋，是扭轉(zhuǎn)疲勞的裂紋特征；C區(qū)沒有周向裂紋擴展痕跡，是一次性扭斷區(qū)。A、B、C區(qū)都以圓心中心對稱，裂紋擴展如黑色箭頭所示，沿半徑指向中心。
　　圖9是根圓區(qū)域放大圖，其中四方形內(nèi)的R1就是根圓。根圓相鄰的平面用A標示，平面A左右分別是斜面B和C。

　　如圖10所示，在根圓與A平面接點附近斷裂。A平面加工紋路粗糙。圖11中A平面的粗糙度明顯差于C平面。

　　如圖12所示，新品A平面粗糙度差于C平面，也差于圖13中S2軸承接觸表面。
　　如圖14所示，做徑向切片，測量斷軸根圓半徑R=0.46mm。生產(chǎn)廠家對失效電機軸同批次產(chǎn)品抽檢，根圓半徑R=0.37mm，均低于技術(shù)要求的R=1mm。根圓在白色箭頭指示的接點位置，不能與兩邊直線邊相切。R偏小，接點不相切，圓弧與直角邊過渡突兀，應(yīng)力集中相應(yīng)增大。根圓附近的A平面加工粗糙，進一步增大接點附近的應(yīng)力集中。
　　如圖15所示，對斷軸S1及相鄰表面顯微檢查發(fā)現(xiàn)，1.1毫米槽左側(cè)非軸承接觸表面也出現(xiàn)軸承壓痕和磨痕，據(jù)此判斷S1處的軸承與軸表面存在穿動現(xiàn)象。測量斷軸S1處直徑為Φ19.97～20.00mm，小于Φ20.2的技術(shù)要求下限值。對比測量新軸S1處直徑為Φ20.31，符合技術(shù)要求。因此斷軸在S1部位直徑小于技術(shù)要求，是軸承擠壓和磨損造成的。

　　2.2硬度試驗
　　檢驗斷軸硬度，結(jié)果如表1，表面硬度與心部硬度相差不大，該電機軸未做表面熱處理。根據(jù)GB/T1172，斷軸心部硬度對應(yīng)的抗拉強度為797～808N/mm2。比GB/T3077中提供的40Cr材料調(diào)質(zhì)后980N/mm²的抗拉強度值低22.5%。
　　分析認為如果適當提高心部硬度、表面硬度，可以提高軸的強度和疲勞強度。

　　2.3金相檢查
　　如圖16所示，沿直徑方向縱向解剖，低倍檢查剖面發(fā)現(xiàn)，表層組織與心部組織差別不懸殊，斷軸未做表面熱處理。
　　如圖17所示，斷軸有帶狀組織，根據(jù)GB/T13299評定帶狀組織為3級。帶狀組織降低電機軸橫向機械性能和扭轉(zhuǎn)疲勞強度。
　　圖18是心部金相組織，為回火S+部分T+條狀及網(wǎng)狀F，根據(jù)GB/T13320評級為5.5級。組織級別評定越高，斷軸材料強度、疲勞強度越低，脆性越大。受帶狀組織的影響，斷軸金相組織具有不均勻性。
　　圖19是表層金相組織，為回火S+少量F，根據(jù)GB/T13320評級為2.5級。

　　2.4SEM分析
　　如圖20所示，裂紋起源于邊緣的凹坑，凹坑附近沒有夾雜等材料缺陷。由于凹坑處的缺口效應(yīng)，應(yīng)力高度集中，大于材料強度時，引發(fā)裂紋，釋放尖端應(yīng)力。隨后在扭轉(zhuǎn)力作用下，裂紋沿圓周方向擴展。在圖中右下角觀察到兩條白色紋，是扭轉(zhuǎn)力作用下產(chǎn)生臺階，A區(qū)開始向B區(qū)過渡。
　　圖21是疲勞裂紋擴展區(qū)，觀察到疲勞條紋，以及與貝殼方向一致的二次裂紋。裂紋穿過晶界，在晶內(nèi)擴展，具有穿晶斷裂特征。扭轉(zhuǎn)疲勞條紋和正斷型斷口上的條紋不同，每個條紋實際上是小的臺階或二次裂紋，有的出現(xiàn)分叉，長條紋之間還有短條紋。從應(yīng)力狀態(tài)分析，在橫向剪切時，裂紋沿圓周擴展的方向與剪切位移的方向平行，屬II型應(yīng)力。上述的條紋實際上是裂紋尖端在剪切應(yīng)力反向的過程中產(chǎn)生的剪切臺階、二次裂紋或擦傷痕跡。
　　SEM分析結(jié)果表明，斷口微觀上具有扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂的特征。

　　2.5化學成分分析
　　采用硫碳分析儀+IPC檢查材料化學成分，分析結(jié)果見表2，與GB/T3077對照，除P元素0.0256略超出高級優(yōu)質(zhì)鋼40CrA中P≤0.025Z低要求，但在優(yōu)質(zhì)鋼40Cr中P≤0.035范圍內(nèi)，其他所有元素含量都在40CrA正常范圍內(nèi)。

　　3　理論分析
　　如圖22所示，電機軸是豎直放置，正常工作過程中，主要受扭轉(zhuǎn)力的作用。如果工作過程中，輸出端的軸承有穿動現(xiàn)象，那么軸在軸承配合表面容易磨損或變形。軸材料硬度越低，磨損和變形加劇。軸承配合間隙隨之增大，軸承套與軸S1表面配合松動，振動加速度變大，當齒輪嚙合時，會產(chǎn)生一定間隔的較大沖擊力F。如果以電機軸軸心為圓心，圓心到齒輪嚙合位置為半徑畫圓，那么齒輪嚙合產(chǎn)生的沖擊力主要沿圓周方向，與半徑相切。參考裝配圖，S2軸承承載部分通過螺栓聯(lián)接，與大減速齒輪實際成為一個整體。假設(shè)S2表面到齒輪嚙合處距離為L，那么沖擊力對軸S2的扭矩M=F*L，F(xiàn)越大，M也越大。
　　斷裂部位在軸與軸肩過渡處，此位置直徑發(fā)生突變。實際根圓半徑太小，圓角與直邊接點不相切，應(yīng)力集中程度大，容易開裂。材料強度和疲勞強度越低，開裂趨勢越大。

　　4　結(jié)論
　　電機軸輸出端軸承穿動，導致軸表面扭轉(zhuǎn)力隨齒輪嚙合節(jié)拍增大，在薄弱的軸與軸肩過渡圓角接點處引發(fā)電機軸低周扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。軸表面抗壓、抗磨損能力越低，軸與軸肩過渡圓角越小，圓角附近加工越粗糙，以及軸材料抗疲勞強度越低，軸疲勞壽命也越低。