摘 要:從斷口宏微觀特征、化學成分、力學性能、顯微組織等方面對某聚丙烯粒料均化風機電 機軸的斷裂原因進行了分析.結果表明:該電機軸斷裂屬于脆性疲勞斷裂;電機軸材料存在疏松性 孔洞、沿晶微裂紋等缺陷以及未進行調質處理,導致其力學性能不足,是電機軸發生斷裂的內在因 素;電機軸臺階下部的機加工刀痕與材料分層缺陷重疊導致應力集中,產生多源疲勞,是電機軸發 生斷裂的外在因素. 

關鍵詞:電機軸;力學性能;制造缺陷;脆性疲勞斷裂 

中圖分類號:TG１１５;TM３０６ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０８Ｇ０６１１Ｇ０４ 

某廠聚丙烯裝置料倉均化風機型號為３４ＧKMＧ ５００３A,其驅動電機功率為２８０kW,電機以皮帶傳 動,風機 啟 用 時 間 為 ２００９ 年 ８ 月.２０１６ 年 １２ 月 ２日裝置人員發現風機電機軸沿鍵槽邊緣金屬崩 裂,如圖１所示.隨后按程序辦理了事故件緊急修 復手續,送機械廠修復.修復方法是將發生金屬崩 裂的鍵槽用金屬填滿加工成圓柱面,再在舊鍵槽對 面按原尺寸加工一個新鍵槽.２０１６年１２月１３日 電機軸經機械廠修復后回裝,１８:２０電機單試以及 羅茨風機投用后,機組運行狀態正常.２０１６年１２月 １５日１７:５０風機電機軸發生了斷裂失效,斷裂位置 如圖２所示.筆者對該風機電機軸進行了檢驗和分 析,以查明其斷裂失效原因.

１ 理化檢驗

１．１ 宏觀檢驗

圖３和圖４ 分別為斷裂電機軸及斷口宏觀形 貌.可見電機軸在皮帶傳動側發生斷裂,斷口平直 且與軸中線垂直,斷面呈灰白色無金屬光澤,電機軸 斷裂為多源斷裂,斷裂源位于新鍵槽圓弧外側,即該 軸的過渡臺階下加工圓角底部的一處分層缺陷,以 及缺陷附近環向機加工刀痕形成的多處疲勞臺階. 由于臺階下部加工刀痕應力集中[１],產生多源疲勞, 軸外緣出現多處疲勞臺階.疲勞源區未見氧化和腐 蝕跡象.斷裂擴展區可見明顯的放射狀條紋花樣, 條紋收斂處為斷裂源,反向為裂紋擴展方向[２].裂 紋擴展速度快,瞬斷區的剪切唇很小.斷裂源區軸 邊 緣金屬輕微磨損,斷口鄰近外表面無明顯宏觀塑性變形,斷口整體呈現脆性疲勞斷裂特征.

１．２ 金相分析 

分別在斷裂電機軸舊鍵槽和新鍵槽處取樣進行 金相分析.新鍵槽附近顯微組織為鐵素體 ＋ 珠光 體,見圖５;舊鍵槽附近靠近邊緣部位顯微組織為鐵 素體＋珠光體＋魏氏體,見圖６,應為重復焊接后焊 縫區域組織;舊鍵槽附近其他部位顯微組織為鐵素 體＋珠光體,見圖７ [３].

１．３ 斷口掃描電鏡分析 

為從微觀上判定斷裂機理,對斷裂電機軸進行 了斷口掃描電鏡分析.分別從電機軸斷口斷裂擴展 區和斷裂源部位取樣,經丙酮清洗后,在掃描電鏡下 觀察.斷裂擴展區呈現清晰明顯的“海灘”花樣,見 圖８,表明電機軸斷裂為脆性疲勞斷裂.斷裂源區及部分斷裂擴展區可見疏松性孔洞缺陷聚集和大量 沿晶微裂紋,見圖９.疏松缺陷是因為金屬冷卻速 度和晶核生長速度不協調,其結果是胞晶未長大就 已經冷卻固化,而縮孔內鋼液不足就被終止凝固[４], 造成疏松缺陷在斷裂源區及部分斷裂擴展區大量存 在.由此推斷,電機軸組織存在疏松性孔洞、沿晶微 裂紋缺陷,致使材料的強韌性和抗疲勞性能下降是 造成該電機軸斷裂的重要因素.

１．４ 化學成分分析

根據技術資料,斷裂電機軸材料為４５鋼,使用 SpectroLab直讀光譜儀對其進行化學成分分析,結 果 見 表 １. 可 見 電 機 軸 各 元 素 含 量 均 符 合 GB/T６９９－２０１５«優質碳素結構鋼»對４５鋼成分的 技術要求. 

１．５ 硬度測試

對電機軸斷口鄰近橫截面進行徑向硬度測試,結果見表２.可見電機軸心部硬度均勻,約為１６１HB;

電機軸 外 緣 硬 度 不 均 勻,自 軸 外 表 面 徑 向 向 內 １０mm,舊鍵槽附近由于修復原因硬度偏高,約為 １７０ HB,新 鍵 槽 附 近 硬 度 偏 低,約 為１５４HB. GB/T６９９－２０１５中規定 ４５ 鋼退火態的交貨硬度 應≤１９７HB.

１．６ 拉伸試驗 

為檢驗電機軸的力學性能指標是否滿足設計要 求及實際工況需要,對斷裂電機軸取樣,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»進行拉伸試驗,取樣部位避開了舊鍵槽的修 復部位,試驗結果見表３.可見電機軸材料的的屈服 強度和抗拉強度均低于 GB/T６９９－２０１５技術要求.

１．７ 沖擊試驗 

對斷裂電機軸取樣,依據 GB/T２２９－２００７«金 屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法»進行沖擊試驗,取樣 部位避開了舊鍵槽的修復部位,試驗結果見表４.

根據電機軸的金相分析結果可以推斷其熱處理 工藝應為退火處理,由表４的沖擊試驗結果可以看 出,３ 個 試 樣 的 沖 擊 吸 收 能 量 均 不 能 滿 足 GB/T６９９－２０１５技術要求.

２ 綜合分析 

電機軸斷口平直且與軸中線垂直,斷面呈灰白 色無金屬光澤,無明顯宏觀塑性變形跡象,顯示出脆 性疲勞斷裂特征.在交變應力作用下,整個疲勞斷 裂過程包括:微裂紋源形成、宏觀裂紋擴展和瞬時斷 裂.疲勞裂紋在軸的過渡臺階下部機加工刀痕與材 料分層缺陷重疊部位開始起裂,而后沿著與拉伸正 應力垂直的方向擴展.機加工刀痕與材料分層缺陷 處于材料表面時,它們與基體相交的界面往往起到 類似裂紋的作用,疲勞裂紋由此擴展,并導致疲勞斷 裂.鋼的顯微組織晶粒的大小及組織中的缺陷對其 疲勞強度有較大影響,金屬的疲勞極限隨晶粒的增 大和缺陷的增多而降低[５].電機軸顯微組織為較粗 大的珠光體和網狀鐵素體,與小的晶粒組織相比,嚴 重地降低了電機軸的疲勞壽命.其次,疲勞裂紋的 擴展速率與晶粒尺寸呈線性關系,在疲勞裂紋擴展 前沿,網狀鐵素體極易形成微裂紋,加速疲勞裂紋的 擴展,在疲勞裂紋擴展前沿形成應力集中,促進裂紋 的擴展.

４５鋼為優 質 碳 素 結 構 鋼,是 軸 類 零 件 常 用 材 料,正常情況下其經過調質(正火)處理后,可得到較 好的切削性能,而且能獲得較高的強度和韌性等綜 合力學性能.斷裂電機軸材料拉伸試驗得到的屈服 強度和抗拉強度均低于標準要求下限值,沖擊試驗 結果顯示其沖擊吸收能量也遠低于標準要求的下限 值,均不能滿足 GB/T６９９－２０１５中對４５鋼的相關 規定要求.說明該電機軸材料未經調質處理,使軸 體所能承受的循環應力下降,無法滿足使用要求[６].

電機軸試樣的顯微組織為鐵素體＋珠光體,晶 粒不均勻,珠光體晶粒較粗大,說明電機軸材料未經 過調質處理,正常調質處理的顯微組織應為回火索 氏體[７].

修復前電機軸曾發生過沿鍵槽一側邊緣金屬崩 裂失效,是由于皮帶輪緊固力不夠,或者在運行過程 中緊固螺母發生松動,致使電機軸鍵槽一側嚴重過 載,加上電機軸材料本身力學性能較差,在旋轉彎曲 交變應力作用下,首先在鍵槽附近產生微裂紋,進而 以疲勞方式迅速擴展,其中一條裂紋發展較快,成為 主裂紋面,附近其他疲勞源裂紋在擴展過程中與主 裂紋面相交,形成掉塊,這一側的其他部位金屬仍有 擠壓開裂跡象.而此后的電機軸徑向斷裂,在皮帶輪緊固螺母緊固力足夠的情況下,未發現鍵槽邊緣 金屬崩裂和宏觀變形跡象,表明修復前在旋轉彎曲 交變應力作用下,鍵槽邊緣金屬崩裂的同時,在軸的 過渡臺階底部疲勞源微裂紋也已經開始擴展.

３ 結論 

(１)該電機軸斷裂屬于脆性疲勞斷裂. 

(２)該電機軸組織存在疏松性孔洞、沿晶微裂 紋缺陷及未進行調質處理,使材料的強韌性和抗疲 勞性能不足.電機軸材料抗拉強度、屈服強度和沖 擊吸收能量均不能滿足 GB/T６９９－２０１５ 技術要 求,材料力學性能不足是電機軸發生斷裂的內在因 素.電機軸臺階下部機加工刀痕導致應力集中,產 生多源疲勞,是該電機軸發生斷裂的外在因素.

４ 建議 

(１)電機軸生產廠家應嚴格按照相關標準規定 完善電機軸的熱處理工藝,嚴格控制調質處理工藝, 防止造成材料力學性能下降. 

(２)選擇質量過硬的生產廠家購買備品備件, 保證加工工藝.生產過程中應有效去除電機軸鍛件 中的分 層、夾 雜 等 制 造 缺 陷,增 強 材 料 的 抗 疲 勞 性能. 

(３)在零部件失效的早期使用單位應加強設備 狀態檢測,及時發現異常現象和故障特征,避免失效 事故的發生和擴大.

參考文獻: 

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[５] 吳連生．失效分析 及 其 應 用 [J]．理 化 檢 驗 (物 理 分 冊),１９９５,３１(４):５６Ｇ５９． 

[６] 顏婧．某空壓機曲軸斷裂失效分析[J]．理化檢驗(物 理分冊),２０１６,５２(１２):８８４Ｇ８８７． 

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文章來源——材料與測試網