主頁 > 軸承知識(shí)

電機(jī)軸失效分析

2019-04-17

　　1.背景介紹

　　某型主電機(jī)搭載公交車上，運(yùn)行約14萬千米后，電機(jī)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?？紤]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(duì)象，殘余斷件做參考。

　　2　檢查分析
　　2.1外觀觀查
　　如圖3所示，電機(jī)軸斷口有銹跡，斷口右側(cè)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(qū)分為A-裂紋源區(qū)，B-裂紋擴(kuò)展區(qū)，和C-Z后快速斷裂區(qū)三個(gè)區(qū)域。其中在B-裂紋擴(kuò)展區(qū)域有清晰可見的疲勞擴(kuò)展條帶，疲勞源區(qū)與疲勞擴(kuò)展區(qū)面積略大于整個(gè)斷口面積的1/2。隨著疲勞裂紋擴(kuò)展，疲勞弧線法線方向按順時(shí)針方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，為彎曲扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂特征。
　　如圖4所示，檢查軸側(cè)面與裂紋源區(qū)對(duì)應(yīng)位置，在矩形框內(nèi)發(fā)現(xiàn)有凹坑。

　　如圖5所示，疲勞裂紋源區(qū)所在軸向長度離花鍵端面約193毫米，剛好在電機(jī)軸幾何臺(tái)階附近（圖6）。臺(tái)階位置因幾何形狀突變，應(yīng)力集中較大，本身是危險(xiǎn)斷裂區(qū)。
　　如圖7所示，斷軸有四條花鍵在定位套外邊緣位置出現(xiàn)臺(tái)階，并且有臺(tái)階的區(qū)域表面高溫氧化，且臺(tái)階表面壓痕與定位套內(nèi)邊緣輪廓吻合；而定位套邊緣沒有臺(tái)階的半周則沒有高溫氧化痕跡（如圖8）。

　　根據(jù)以上描述，再檢查定位套內(nèi)邊緣，局部區(qū)域也有壓傷痕跡（圖9）。自此確定軸花鍵上的新增臺(tái)階是被定位套內(nèi)邊緣擠壓出來的。

　　2.2顯微檢查
　　如圖10所示，次表面位置A所在區(qū)域發(fā)散條紋Z后收斂于圖中的折疊缺陷，確認(rèn)折疊缺陷是疲勞裂紋源。對(duì)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(fā)現(xiàn)孔洞兩側(cè)顏色不同，折疊表面是高溫氧化色，沒有新斷面，孔洞兩側(cè)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(duì)應(yīng)位置同樣發(fā)現(xiàn)有折疊的缺陷特征（圖12、13）。

　　如圖14所示，鍵槽表面新增臺(tái)階兩側(cè)沒有磨痕。檢查臺(tái)階側(cè)面（圖15），臺(tái)階斜面大約與花鍵軸表面呈150°夾角。臺(tái)階右側(cè)，即朝向端蓋的花鍵表面下沉，并且越靠近臺(tái)階處，下沉越大，在花鍵軸端部恢復(fù)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(yàn)

　　對(duì)主軸切片，檢驗(yàn)心部和表面淬火層硬度。心部硬度HV1在314～324.5區(qū)間；表層淬硬層HV1硬度在485.9～503之間。硬度符合電機(jī)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(nèi)開裂處邊緣白色組織是嚴(yán)重脫碳層組織（圖17），據(jù)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(fā)現(xiàn)有明顯的帶狀組織，按GB/T13299評(píng)定帶狀組織級(jí)別為3級(jí)。在裂紋源附近的鍛造缺陷處檢查（圖19），發(fā)現(xiàn)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(dǎo)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(xì)小塊狀F。

　　2.4EDS微區(qū)成分探測
　　圖22是對(duì)圖19中的鍛造缺陷作掃描電鏡圖像，標(biāo)示有1、2、3、4的微小區(qū)域是EDS能譜分析探測范圍。
　　圖23～26依次為對(duì)微區(qū)1～4的EDS能譜分析圖，表1為分析結(jié)果。綜合來看，區(qū)1主要是非金屬成分；區(qū)2和區(qū)3成分相近，主要是金屬氧化物成分；區(qū)4是基體金屬成分。
　　EDS分析結(jié)果證明在次表層位置出現(xiàn)的裂紋，內(nèi)部已經(jīng)嚴(yán)重氧化，是鍛造不當(dāng)造成的。

　　2.5化學(xué)成分分析
　　采用直讀光譜儀檢查材料化學(xué)成分，分析結(jié)果見表2，所有元素含量都在42CrMo正常范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)錯(cuò)料現(xiàn)象。

　　3　理論分析
　　3.1軸斷裂原因分析
　　電動(dòng)機(jī)工作過程中，電機(jī)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(yīng)力Z大，疲勞裂紋傾向于在軸表面或次表面位置產(chǎn)生。電機(jī)軸臺(tái)階位置，由于幾何突變，應(yīng)力集中大，是危險(xiǎn)斷裂區(qū)。當(dāng)存在折疊缺陷等鍛造缺陷時(shí)，疲勞強(qiáng)度顯著降低，特別是在臺(tái)階部位的折疊缺陷，導(dǎo)致電機(jī)主軸過早產(chǎn)生疲勞裂紋。
　　當(dāng)主軸材料內(nèi)部有帶狀組織缺陷時(shí)，材料成分和組織不均勻，F(xiàn)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(jī)械性能比縱向機(jī)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(kuò)展，發(fā)生斷裂。

　　4　結(jié)論
　　次表面折疊缺陷降低電機(jī)主軸的表面強(qiáng)度，電機(jī)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(chǎn)生疲勞裂紋。材料內(nèi)部的帶狀組織對(duì)疲勞裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展起促進(jìn)作用。