摘 要:从断口宏微观特征、化学成分、力学性能、显微组织等方面对某聚丙烯粒料均化风机电 机轴的断裂原因进行了分析.结果表明:该电机轴断裂属于脆性疲劳断裂;电机轴材料存在疏松性 孔洞、沿晶微裂纹等缺陷以及未进行调质处理,导致其力学性能不足,是电机轴发生断裂的内在因 素;电机轴台阶下部的机加工刀痕与材料分层缺陷重叠导致应力集中,产生多源疲劳,是电机轴发 生断裂的外在因素.

关键词:电机轴;力学性能;制造缺陷;脆性疲劳断裂

中图分类号:TG１１５;TM３０６ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０８Ｇ０６１１Ｇ０４

某厂聚丙烯装置料仓均化风机型号为３４ＧKMＧ ５００３A,其驱动电机功率为２８０kW,电机以皮带传 动,风机 启 用 时 间 为 ２００９ 年 ８ 月.２０１６ 年 １２ 月 ２日装置人员发现风机电机轴沿键槽边缘金属崩 裂,如图１所示.随后按程序办理了事故件紧急修 复手续,送机械厂修复.修复方法是将发生金属崩 裂的键槽用金属填满加工成圆柱面,再在旧键槽对 面按原尺寸加工一个新键槽.２０１６年１２月１３日 电机轴经机械厂修复后回装,１８:２０电机单试以及 罗茨风机投用后,机组运行状态正常.２０１６年１２月 １５日１７:５０风机电机轴发生了断裂失效,断裂位置 如图２所示.笔者对该风机电机轴进行了检验和分 析,以查明其断裂失效原因.

１ 理化检验

１．１ 宏观检验

图３和图４ 分别为断裂电机轴及断口宏观形 貌.可见电机轴在皮带传动侧发生断裂,断口平直 且与轴中线垂直,断面呈灰白色无金属光泽,电机轴 断裂为多源断裂,断裂源位于新键槽圆弧外侧,即该 轴的过渡台阶下加工圆角底部的一处分层缺陷,以 及缺陷附近环向机加工刀痕形成的多处疲劳台阶. 由于台阶下部加工刀痕应力集中[１],产生多源疲劳, 轴外缘出现多处疲劳台阶.疲劳源区未见氧化和腐 蚀迹象.断裂扩展区可见明显的放射状条纹花样, 条纹收敛处为断裂源,反向为裂纹扩展方向[２].裂 纹扩展速度快,瞬断区的剪切唇很小.断裂源区轴 边 缘金属轻微磨损,断口邻近外表面无明显宏观塑性变形,断口整体呈现脆性疲劳断裂特征.

１．２ 金相分析

分别在断裂电机轴旧键槽和新键槽处取样进行 金相分析.新键槽附近显微组织为铁素体 ＋ 珠光 体,见图５;旧键槽附近靠近边缘部位显微组织为铁 素体＋珠光体＋魏氏体,见图６,应为重复焊接后焊 缝区域组织;旧键槽附近其他部位显微组织为铁素 体＋珠光体,见图７ [３].

１．３ 断口扫描电镜分析

为从微观上判定断裂机理,对断裂电机轴进行 了断口扫描电镜分析.分别从电机轴断口断裂扩展 区和断裂源部位取样,经丙酮清洗后,在扫描电镜下 观察.断裂扩展区呈现清晰明显的“海滩”花样,见 图８,表明电机轴断裂为脆性疲劳断裂.断裂源区及部分断裂扩展区可见疏松性孔洞缺陷聚集和大量 沿晶微裂纹,见图９.疏松缺陷是因为金属冷却速 度和晶核生长速度不协调,其结果是胞晶未长大就 已经冷却固化,而缩孔内钢液不足就被终止凝固[４], 造成疏松缺陷在断裂源区及部分断裂扩展区大量存 在.由此推断,电机轴组织存在疏松性孔洞、沿晶微 裂纹缺陷,致使材料的强韧性和抗疲劳性能下降是 造成该电机轴断裂的重要因素.

１．４ 化学成分分析

根据技术资料,断裂电机轴材料为４５钢,使用 SpectroLab直读光谱仪对其进行化学成分分析,结 果 见 表 １. 可 见 电 机 轴 各 元 素 含 量 均 符 合 GB/T６９９－２０１５«优质碳素结构钢»对４５钢成分的 技术要求.

１．５ 硬度测试

对电机轴断口邻近横截面进行径向硬度测试,结果见表２.可见电机轴心部硬度均匀,约为１６１HB;

电机轴 外 缘 硬 度 不 均 匀,自 轴 外 表 面 径 向 向 内 １０mm,旧键槽附近由于修复原因硬度偏高,约为 １７０ HB,新 键 槽 附 近 硬 度 偏 低,约 为１５４HB. GB/T６９９－２０１５中规定 ４５ 钢退火态的交货硬度 应≤１９７HB.

１．６ 拉伸试验

为检验电机轴的力学性能指标是否满足设计要 求及实际工况需要,对断裂电机轴取样,依据 GB/T ２２８．１－２０１０«金属材料 拉伸试验 第１部分:室温试 验方法»进行拉伸试验,取样部位避开了旧键槽的修 复部位,试验结果见表３.可见电机轴材料的的屈服 强度和抗拉强度均低于 GB/T６９９－２０１５技术要求.

１．７ 冲击试验

对断裂电机轴取样,依据 GB/T２２９－２００７«金 属材料夏比摆锤冲击试验方法»进行冲击试验,取样 部位避开了旧键槽的修复部位,试验结果见表４.

根据电机轴的金相分析结果可以推断其热处理 工艺应为退火处理,由表４的冲击试验结果可以看 出,３ 个 试 样 的 冲 击 吸 收 能 量 均 不 能 满 足 GB/T６９９－２０１５技术要求.

２ 综合分析

电机轴断口平直且与轴中线垂直,断面呈灰白 色无金属光泽,无明显宏观塑性变形迹象,显示出脆 性疲劳断裂特征.在交变应力作用下,整个疲劳断 裂过程包括:微裂纹源形成、宏观裂纹扩展和瞬时断 裂.疲劳裂纹在轴的过渡台阶下部机加工刀痕与材 料分层缺陷重叠部位开始起裂,而后沿着与拉伸正 应力垂直的方向扩展.机加工刀痕与材料分层缺陷 处于材料表面时,它们与基体相交的界面往往起到 类似裂纹的作用,疲劳裂纹由此扩展,并导致疲劳断 裂.钢的显微组织晶粒的大小及组织中的缺陷对其 疲劳强度有较大影响,金属的疲劳极限随晶粒的增 大和缺陷的增多而降低[５].电机轴显微组织为较粗 大的珠光体和网状铁素体,与小的晶粒组织相比,严 重地降低了电机轴的疲劳寿命.其次,疲劳裂纹的 扩展速率与晶粒尺寸呈线性关系,在疲劳裂纹扩展 前沿,网状铁素体极易形成微裂纹,加速疲劳裂纹的 扩展,在疲劳裂纹扩展前沿形成应力集中,促进裂纹 的扩展.

４５钢为优 质 碳 素 结 构 钢,是 轴 类 零 件 常 用 材 料,正常情况下其经过调质(正火)处理后,可得到较 好的切削性能,而且能获得较高的强度和韧性等综 合力学性能.断裂电机轴材料拉伸试验得到的屈服 强度和抗拉强度均低于标准要求下限值,冲击试验 结果显示其冲击吸收能量也远低于标准要求的下限 值,均不能满足 GB/T６９９－２０１５中对４５钢的相关 规定要求.说明该电机轴材料未经调质处理,使轴 体所能承受的循环应力下降,无法满足使用要求[６].

电机轴试样的显微组织为铁素体＋珠光体,晶 粒不均匀,珠光体晶粒较粗大,说明电机轴材料未经 过调质处理,正常调质处理的显微组织应为回火索 氏体[７].

修复前电机轴曾发生过沿键槽一侧边缘金属崩 裂失效,是由于皮带轮紧固力不够,或者在运行过程 中紧固螺母发生松动,致使电机轴键槽一侧严重过 载,加上电机轴材料本身力学性能较差,在旋转弯曲 交变应力作用下,首先在键槽附近产生微裂纹,进而 以疲劳方式迅速扩展,其中一条裂纹发展较快,成为 主裂纹面,附近其他疲劳源裂纹在扩展过程中与主 裂纹面相交,形成掉块,这一侧的其他部位金属仍有 挤压开裂迹象.而此后的电机轴径向断裂,在皮带轮紧固螺母紧固力足够的情况下,未发现键槽边缘 金属崩裂和宏观变形迹象,表明修复前在旋转弯曲 交变应力作用下,键槽边缘金属崩裂的同时,在轴的 过渡台阶底部疲劳源微裂纹也已经开始扩展.

３ 结论

(１)该电机轴断裂属于脆性疲劳断裂.

(２)该电机轴组织存在疏松性孔洞、沿晶微裂 纹缺陷及未进行调质处理,使材料的强韧性和抗疲 劳性能不足.电机轴材料抗拉强度、屈服强度和冲 击吸收能量均不能满足 GB/T６９９－２０１５ 技术要 求,材料力学性能不足是电机轴发生断裂的内在因 素.电机轴台阶下部机加工刀痕导致应力集中,产 生多源疲劳,是该电机轴发生断裂的外在因素.

４ 建议

(１)电机轴生产厂家应严格按照相关标准规定 完善电机轴的热处理工艺,严格控制调质处理工艺, 防止造成材料力学性能下降.

(２)选择质量过硬的生产厂家购买备品备件, 保证加工工艺.生产过程中应有效去除电机轴锻件 中的分 层、夹 杂 等 制 造 缺 陷,增 强 材 料 的 抗 疲 劳 性能.

(３)在零部件失效的早期使用单位应加强设备 状态检测,及时发现异常现象和故障特征,避免失效 事故的发生和扩大.

参考文献:

[１] 夏申琳．４５钢减速器轴断裂原因分析[J]．理化检验 (物理分册),２０１６,５２(１０):７４３Ｇ７４９．

[２] 亨利 G,豪斯特曼 D．宏观断口学及显微断口学[M]． 北京:机械工业出版社,１９９０．

[３] 李炯辉．金属材料金相图谱[M]．北京:机械工业出版 社,２００６．

[４] 美国金属学会．金属手册[M]．北 京:机 械 工 业 出 版 社,１９８５．

[５] 吴连生．失效分析 及 其 应 用 [J]．理 化 检 验 (物 理 分 册),１９９５,３１(４):５６Ｇ５９．

[６] 颜婧．某空压机曲轴断裂失效分析[J]．理化检验(物 理分册),２０１６,５２(１２):８８４Ｇ８８７．

[７] 胡世炎．破断故障金相分析[M]．北京:国防工业出版 社,１９７９．

文章来源——材料与测试网