軸是電機中重要的受力結(jié)構(gòu)件，主要起到支撐轉(zhuǎn)動零部件、傳遞旋轉(zhuǎn)運動作用，軸同時承受扭矩和彎矩的作用。在交變應力的作用下，軸的變徑處、鍵槽、裝配件根部等位置存在明顯的應力集中，易誘發(fā)微裂紋，從而導致軸發(fā)生疲勞開裂[1-8]。 

某離心風機用小型電機的功率為11 kW，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，聯(lián)機運行1 h后電機軸發(fā)生斷裂，電機軸斷裂于伸端裝配軸承的根部。該電機通過直連剛性聯(lián)軸器連接設(shè)備，軸直徑為 45 mm，材料為熱軋態(tài)45鋼。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了該電機軸斷裂的原因，以避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

圖1為斷裂電機軸的宏觀形貌。由圖1可知：電機軸在變徑位置退刀槽區(qū)域發(fā)生斷裂，斷口平齊，垂直于軸向，無宏觀塑性變形，與內(nèi)、外蓋裝配處存在嚴重的周向摩擦痕跡；截取一對匹配斷口，可見斷面整體較平坦，外沿光亮，呈明顯的臺階特征，擴展棱線匯聚于偏離軸心部的“魚眼區(qū)”；左側(cè)斷口“魚眼區(qū)”內(nèi)凹，保留斷裂特征，但沿軸中心有一周向摩擦痕跡；右側(cè)斷口“魚眼區(qū)”外凸，摩擦嚴重，附近有發(fā)藍現(xiàn)象；退刀槽外沿存在明顯的周向加工刀痕，微裂紋沿加工刀痕伸展。 

圖  1  斷裂電機軸宏觀形貌

兩側(cè)斷口的摩擦痕跡是由外凸“魚眼區(qū)”在旋轉(zhuǎn)過程中擠壓造成的，這表明“魚眼區(qū)”的形成時間晚于斷面其他區(qū)域，應是最終瞬斷區(qū)，說明裂紋起源于退刀槽外沿，最終在心部發(fā)生斷裂。 

1.2   掃描電鏡（SEM）分析

利用掃描電子顯微鏡觀察電機軸斷口的微觀形貌，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：部分裂紋起始區(qū)域可見機械損傷的跡象，未受損傷的區(qū)域可見精細的疲勞輝紋，輝紋的弧線圓心指向軸外側(cè)；裂紋擴展區(qū)可見疲勞輝紋和二次裂紋，且這些條帶的寬度明顯大于裂紋起始區(qū)域；瞬斷區(qū)呈韌性斷裂特征。 

圖  2  電機軸斷口SEM形貌

電機軸的斷裂形式為高周疲勞斷裂，且裂紋起始區(qū)位于軸外側(cè)。高周疲勞斷裂通常與循環(huán)應力有關(guān)，表現(xiàn)為斷口上的平行疲勞條帶，這些條帶是裂紋疲勞擴展過程留下的痕跡。 

1.3   化學成分分析

利用電火花直讀光譜儀對斷裂電機軸進行化學成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂電機軸的化學成分符合JB/T 1271—2014《交、直流電機軸鍛件 技術(shù)條件》的要求。 

1.4   力學性能測試

沿斷裂電機軸縱向取樣，對試樣進行常溫拉伸試驗和U型缺口沖擊試驗，結(jié)果如表2所示。由表2可知：斷裂電機軸的強度、塑性及沖擊韌性均符合JB/T 1271—2014的標準要求。 

1.5   金相檢驗

沿電機軸縱向取金相試樣，將試樣打磨、拋光后，利用光學顯微鏡對其進行觀察。依據(jù)GB/T 10561—2023 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，基體區(qū)夾雜物評級為AT0，AH0，BT0，BH0，CT1.0，CH0，DT1.0，DH0，DS0級，夾雜物含量較低。斷裂電機軸的顯微組織形貌如圖3所示。由圖3可知：試樣基體區(qū)的組織為鐵素體+珠光體，鐵素體呈網(wǎng)狀分布，呈輕微的帶狀特征，晶粒均勻、細小，為45鋼正常熱軋態(tài)組織[9]；斷口區(qū)組織與基體區(qū)未見明顯差異，未見明顯冶金夾雜或熱加工缺陷。 

圖  3  斷裂電機軸的顯微組織形貌

1.6   退刀槽圓角尺寸及粗糙度測量

在退刀槽圓角R附近沿軸縱向取金相試樣，試樣的微觀形貌和表面三維形貌如圖4所示。由圖4可知：圓角R尺寸（半徑）為0.74 mm，滿足圖紙要求（R=0.5 mm）；垂直于刀痕方向的線粗糙度為16.0 μm，粗糙度較大。 

圖  4  退刀槽試樣的微觀形貌和表面三維形貌

2.   綜合分析

該斷裂電機軸的斷口平齊、垂直于軸向、塑性變形不明顯、存在明顯擠壓痕跡，斷面可見細密疲勞輝紋和二次裂紋，輝紋弧線的圓心指向軸外沿、條帶尺寸明顯寬于斷裂源區(qū)，表明電機軸發(fā)生了高周疲勞斷裂，裂紋擴展過程中電機軸受力均勻、穩(wěn)定。結(jié)合現(xiàn)場運行情況，電機運行約1 h后電機軸發(fā)生斷裂，電機軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，循環(huán)次數(shù)超過1.8×105次，具備高周疲勞工作條件。疲勞裂紋起源于表面退刀槽的整個圓周，有明顯的臺階特征，為多源疲勞開裂，進一步表明該處存在明顯的應力集中。 

該斷裂電機軸的化學成分和力學性能均符合標準要求，材料中的非金屬夾雜物含量較低，顯微組織正常。表明電機軸的材料及熱處理狀態(tài)無異常。此外，裂紋附近也未見異常組織、冶金缺陷或熱加工缺陷。然而，在交變應力作用下，熱軋態(tài)45鋼的強度偏低，其表面抗疲勞開裂能力不足。因此，有必要換用調(diào)質(zhì)態(tài)45鋼，以提升電機軸可靠性。 

加工制造方面，退刀槽表面明顯可見周向加工刀痕，微裂紋沿加工刀痕伸展。經(jīng)測量，退刀槽圓角R尺寸滿足圖紙要求，而粗糙度為16.0 μm，表明表面加工質(zhì)量較差，造成局部應力集中。由此表明，退刀槽表面加工較粗糙誘發(fā)了裂紋的萌生。 

該斷裂電機軸斷口試樣的瞬斷區(qū)僅占整個斷面的1%~2%，表明電機軸工作時所受的名義應力較小，排除電機載荷較大的可能。此外，瞬斷區(qū)偏離軸的中心，且軸與內(nèi)、外蓋裝配處均存在嚴重的周向磨痕，理論上軸與二者應為間隙配合，說明電機軸存在偏軸旋轉(zhuǎn)的情況，運轉(zhuǎn)過程中彎矩較大。造成電機軸偏軸旋轉(zhuǎn)的因素包括電機轉(zhuǎn)子不平衡、電機與連接設(shè)備不對中、軸裝配不對中、電機整機振動等，需要對電機進行進一步排查。

3.   結(jié)論與建議

該斷裂電機軸的斷裂形式為高周疲勞斷裂，電機偏軸旋轉(zhuǎn)，退刀槽加工較粗糙，熱軋態(tài)45鋼強度偏低，最終導致電機軸發(fā)生斷裂。 

建議排查電機、軸、轉(zhuǎn)子以及與設(shè)備的裝配情況，提升退刀槽表面加工質(zhì)量，換用調(diào)質(zhì)態(tài)45鋼電機軸，以提升軸的可靠性。

文章來源——材料與測試網(wǎng)