某電廠電動機軸斷裂分析

周鵬

遼寧紅沿河核電有限公司 遼寧大連 116319

1 序言

電動機軸是電動機設備運行的關鍵部件，某電廠電動機軸發生斷裂，其材料采用45鋼。45鋼為優質碳素結構鋼，是軸類零件常用材料，其經過調質后，可得到較好的切削性能，且能獲得較高的強度和韌性等綜合力學性能。目前，國內外許多學者在軸承的失效分析方面開展了大量研究。胡兆祥等[1]對電廠常規島水泵軸承斷裂原因分析認為，機組功率的頻繁或大范圍波動，將促使電動機軸發生旋轉疲勞斷裂。另外，材質問題對設備失效起到加速作用。泵軸材質為45鋼，由于調質處理不合理，故材料組織出現了二次鐵素體和魏氏組織，降低了材料疲勞強度、抗拉強度及屈服強度。同時，軸心冶金缺陷使泵軸出現了扭轉疲勞直至斷裂[2，3]。高學平[4]認為泵動力端被動軸心部存在枝晶組織、夾雜物和孔隙疏松等缺陷及不均勻組織，會造成泵軸脆性斷裂。電動機軸表面加工缺陷易形成早期裂紋萌生區，材料組織晶粒粗大及非金屬夾雜物導致材料的疲勞極限和屈服強度降低[5]。

2 材質及性能檢測

2.1 宏觀觀察

圖1所示為斷裂電動機軸宏觀形貌。其中，圖1a所示為電動機軸整體形貌；圖1b所示為電動機軸斷口宏觀形貌。由圖1b可見，電動機軸在沿軸徑變化的倒角處斷裂，斷口整體無明顯的塑性變形，大部分斷面較平整，僅在最后斷裂區有撕裂變形。此外，斷口表面有周向磨損痕跡，最終斷裂區位于軸表面到中心約1/3處。斷口附近的軸表面也有輕微腐蝕特征，如圖1c所示。

圖1 電動機軸宏觀形貌

2.2 化學成分分析

對電動機軸斷口附近進行化學成分分析，結果見表1。由表1可見，試樣的化學成分未見明顯差異，且均滿足GB/T 699—2015《優質碳素結構鋼》要求。

2.3 力學性能測試

依據GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，在斷口附近切取的全截面金相試樣上進行布氏硬度檢測，結果見表2。從表2可看出，在電動機軸近表層、1/2半徑處及心部位置，硬度值基本相同，且硬度較為均勻。

表2 硬度檢測結果 （HBW）

依據GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》及GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》，分別對電動機軸取樣進行室溫拉伸和室溫沖擊性能測試。其中，室溫拉伸試樣采用φ5mm棒狀試樣，沖擊試樣采用10mm×10mm×55mm標準U型缺口試樣。試驗結果及對比見表3。

表3 室溫拉伸、沖擊性能測試結果及對比

電動機軸采用鍛造工藝生產，參考JB/T 1271—2014《交、直流電機軸鍛件 技術條件》規定：45鋼一般可按照正火+回火進行熱處理，熱處理后的性能要求見表3。由表3可見，本次斷裂的電動機軸取樣室溫拉伸性能均能滿足上述標準要求，沖擊吸收能量則略低于標準的下限值。

2.4 金相檢測

圖2a、b所示分別為垂直、平行于電動機軸軸向斷口附近處試樣的金相組織。從圖2a、b可見，電動機軸斷口附近整個截面上顯微組織均為鐵素體+珠光體，未見明顯的帶狀組織等偏析特征，但有少量的魏氏組織。圖2c所示為斷口處顯微組織形貌，斷口截面較平整，呈穿晶斷裂特征。

圖2 電動機軸軸向斷口顯微組織

2.5 非金屬夾雜物檢測

取電動機軸縱截面金相試樣，在拋光態下對樣品截面進行非金屬夾雜物檢測，結果如圖3a所示。由圖3a可見，電動機軸材料中截面均存在較多的非金屬夾雜物[6，7]。能譜分析如圖3b、c所示，具體成分見表4，結果表明，非金屬夾雜物主要為硅酸鹽和硫化物。

表4 能譜分析成分（質量分數） （%）

圖3 非金屬夾雜物及能譜分析

2.6 斷口分析

圖4所示為斷口在掃描電鏡下的微觀形貌。由圖4可知，斷口整體上較為平齊，僅在終斷區出現塑性變形特征。斷口表面有周向旋轉磨損特征，靠近軸表面存在較多的啟裂臺階（如位置1，見圖4b），即啟裂源呈線源特征[1，8]；在擴展區位置2（見圖4c）和位置3（見圖4d）均發現明顯的疲勞條帶，表明斷口斷裂性質為疲勞斷裂[2，9]；位置4（見圖4e）也發現明顯的疲勞條帶，且疲勞條帶的間距要大于位置2和位置3的疲勞條帶間距，表明位置4相對于位置2和位置3斷裂較晚，所受應力相對較大；位置5（見圖4f）為最后斷裂區，即瞬斷區，低倍下有明顯的塑性變形，微觀上呈韌窩形貌。終斷區位于軸約1/2半徑處，且軸的表面存在旋轉磨損特征。綜上可看出，該電動機軸斷口屬于旋轉彎曲疲勞斷裂斷口[10，11]。

圖4 斷口掃描電鏡微觀形貌

3 結果與分析

通過對斷裂電動機軸取樣進行各項理化性能檢測，并結合電動機軸的運行工況，對其斷裂原因進行綜合分析。

1）電動機軸材料為45鋼，化學成分符合GB/T 699—2015要求；金相組織為鐵素體+珠光體，為45鋼退火或正火后的組織，組織中還存在少量的魏氏組織特征；材料中存在較多的硅酸鹽和硫化物類非金屬夾雜物；材料室溫拉伸性能可滿足JB/T 1271—2014對45鋼正火+回火處理后的性能要求，但沖擊吸收能量略低于標準要求的下限值，這可能與組織中存在的少量魏氏組織及大量的非金屬夾雜物 有關。

2）電動機軸斷裂性質為旋轉彎曲疲勞斷裂。經核實，該電動機軸服役工況為長期處于振動超標狀態，振動是引起電動機軸疲勞斷裂的直接原因。

3）斷口位置表面加工粗糙，且存在明顯的腐蝕特征，容易在粗糙的溝槽處和腐蝕坑位置形成應力集中，在一定程度上促進了疲勞微裂紋的萌生。此外，電動機軸材料中較高含量的非金屬夾雜物也是促進疲勞源區微裂紋萌生的因素之一。

4 結束語

通過對某電廠斷裂電動機軸取樣試驗分析，得出如下結論。

1）電動機軸使用材料為45鋼，組織為正火或退火態。由于材料中非金屬夾雜物含量較多，因此建議控制原材料質量，采用非金屬夾雜物含量較低的較純凈材料進行制造。

2）電動機軸斷裂性質為旋轉彎曲疲勞斷裂，振動是引起其斷裂的主要原因。此外，斷口所在位置倒角表面加工粗糙、表面存在腐蝕、材料中非金屬夾雜物含量較高等因素，都在一定程度上促進了疲勞微裂紋的萌生。

3）45鋼為優質碳素結構鋼，但耐腐蝕性較差，建議減少與S、Cl等腐蝕介質的接觸，以避免軸表面受到腐蝕。