電動機軸斷裂失效研究

徐宏偉

摘 要：對錦州石化富馬酸車間發生斷裂的電動機軸進行失效分析，采用掃描電鏡、金相檢查拍攝微觀組織和斷裂部位照片，結合成分分析的結果，發現該電動機軸斷裂屬于疲勞斷裂，裂紋的起源部位位于表層，并在交變載荷的作用下向材料內部擴展，最終形成斷裂。造成斷裂的主要原因是由于加工缺陷，造成內部夾雜，形成了斷裂源。

關鍵詞：失效分析；疲勞斷裂

中圖分類號：[TM3] 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2013）-12-0233-01

1、概述

電動機廣泛應用于制造、生產、運輸等社會經濟生活的各個領域。轉子軸是電動機產生動力與輸出動力的重要部分，是電機結構的核心部件。在整個機體結構中處于重要的位置。由于頻繁的啟動、載荷變化等，使轉子軸的故障成為電動機的主要故障之一[1-3]。

錦州石化公司富馬酸車間的一臺往復式壓縮機，于1999年10月投入運行，在間斷運行了3200小時后，其電動機轉子軸突然發生了斷裂。軸的轉速為300rpm， 材質為45號鋼，加工過程為鍛造后進行車削加工。針對此次現場發生失效問題，我們采用掃描電鏡等分析手段對其斷裂失效的原因進行了分析。

2、監測結果

2.1 宏觀形貌分析

電動機轉子軸的宏觀斷口形貌見圖1，從整個斷口斷裂情形上看，屬于一個多源斷裂的形式，且整個斷面呈現螺旋狀特征，典型斷面至少有四個，即圖中A、B、C、D四個區域，其中最大的斷面為C斷面，在C斷面的臨近處，即在軸心區域（箭頭所指部位），肉眼可見一條具有金屬光澤的粗糙區域 ，應該為C、D區域的最終斷裂重合區。 在交匯處可見明顯的臺階狀形貌。在疲勞區能清晰的觀察到貝殼線。

A、 B區域的局部圖片見圖2，C區局部圖見圖3。在從三個區域的圖片可以初步判斷電機轉子軸的斷裂形式為疲勞斷裂，每個區域的大面積光滑區域為疲勞區，偏轉區域較粗糙，為疲勞斷裂的最后破斷區。 破斷區面積占總面積約20%左右。從圖可明顯可見裂紋起源于外表面，并向內部擴展。另根據電機軸外表面狀態進行觀察，可看到，外表面局部有刀痕等表面缺陷。

圖2 A、B區域局部放大圖

2.2 掃描電鏡分析

分別采用掃描電鏡對斷裂區域進行觀察。其結果如下圖所示

圖4-圖6A區域的微觀形貌，可以觀察到，在近裂紋源附近的斷口形貌主要為解理斷裂，說明材料的韌性較差。在疲勞區可以看到疲勞輝紋主要為波浪型。在圖7的高倍電鏡觀察中可以看到方形的夾雜物，而斷裂的條紋就起源于方形的夾雜物。

圖7為B區的微觀形貌，疲勞區可見波浪型輝紋，破斷區為解理斷裂形貌。圖8為C區斷裂微觀形貌，同A、B區斷裂形似相同，疲勞區可見輝紋，破斷區主要為解理斷裂，并且在疲勞區可見密集分布的斷面二次裂紋。

4、結論及建議

電機軸的斷裂屬于疲勞斷裂，裂紋的起源部位位于表層，并在交變載荷的作用下向材料內部擴展，最終形成斷裂。導致斷裂主要原因包括：

（1）表面光潔度不高，另外有表面刀痕等表面加工缺陷等，導致了裂紋的早期萌生；

（2）金相組織不夠優良，晶粒粗大和網狀鐵素體的存在，以及較硬的TiN夾雜物的局部聚集等因素，使材料的疲勞極限降低，促進了裂紋的進一步擴展，另外晶粒粗大等組織缺陷致使材料屈服強度低，這也是疲勞過早萌生的一大因素。

針對以上情況，建議采取以下改進措施：

（1）調質處理：正確的調質處理，加以感應表面淬火或表面噴丸處理，則耐疲勞效果更佳。

（2）提高表面加工質量，盡力減少應力集中。