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電動機軸疲勞斷裂分析【案例分享】

案例分享:電動機軸疲勞斷裂分析 


電動機軸的主要作用是支承電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),傳遞轉(zhuǎn)矩,其性能直接影響到電動機的使用壽命??照{(diào)系統(tǒng)中因電動機軸斷裂導(dǎo)致電動機傳動失效,造成出風系統(tǒng)異常,嚴重影響客戶使用效果,破壞品牌形象。因此,必須對電動機軸斷裂性質(zhì)和原因進行分析,提前采取改善措施。

該款電動機軸是使用45熱軋鋼,原材料是正火狀態(tài),其強度、剛度、韌性能滿足一般電動機軸的使用需求。實驗室在對電動機進行1.2倍額定負載試驗時,發(fā)現(xiàn)其中一臺電動機軸在退刀槽位置斷裂。為了尋找斷裂原因,本文通過對軸承力學(xué)強度校核以及化學(xué)成分、材料硬度、金相組織檢測等,并結(jié)合對失效電動機軸斷口的宏觀和微觀分析,最終確定斷裂失效的主要原因。

1. 電動機軸承力學(xué)強度校核
標準電動機的使用是根據(jù)軸承使用壽命進行選型,在設(shè)計階段已進行強度校核。當出現(xiàn)過載的情況時,電動機軸端受到的力遠超過該電動機允許的最大負載力,則會發(fā)生斷裂。根據(jù)試驗情況,此次斷裂軸承的實際負載為額定負載的1.2倍,而0.75kW的電動機設(shè)計允許負載為額定負載的2.3倍。同時核實各退刀槽倒角、槽寬及槽深均符合JB/ZQ4238—2006的要求。故本文認為電動機軸斷裂非設(shè)計選型不足導(dǎo)致的過載斷裂。

2. 材料成分測試
故障件材料化學(xué)成分分析如表1所示,符合45鋼化學(xué)成分標準要求。

表1  故障件材料化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))  (%)


3. 硬度測試
45鋼正火狀態(tài)的硬度一般≤229HBW。取失效件和正常件退刀槽位置同一圓周測試6個硬度值。由測試數(shù)據(jù)表2可知,斷裂電動機軸最小硬度值179.1HV,最大硬度值199.6HV,相對未斷裂電動機軸,其硬度不均勻。

表2  失效件及正常使用電動機軸硬度測試值   (HV)


4. 宏觀斷口分析
電動機軸斷裂在退刀槽位置,如圖1、圖2所示。退刀槽位置未發(fā)現(xiàn)有機加工裂紋。使用30倍放大鏡觀察斷面,可見顏色明暗層次不同的區(qū)域,斷口邊沿位置有較多放射棱線,整個區(qū)域比較光亮、平滑,屬于多個疲勞源區(qū);中間偏右發(fā)白比較粗糙位置為瞬斷區(qū);源區(qū)和瞬斷區(qū)之間為裂紋擴展區(qū),且能看到疲勞臺階;屬于典型的多源疲勞斷口。

圖1  電動機軸斷裂位置


圖2  壞件宏觀斷口圖


5. 微觀斷口形貌分析
裂紋源位于斷面邊沿,在掃描電鏡下可以看到清晰的摩擦痕跡以及河流樣的類解理、沿晶混合形貌,如圖3、圖4所示。


圖3  失效件斷面邊沿類解理、沿晶混合形貌


圖4  失效件斷面邊沿摩擦痕


裂紋擴展區(qū)域是河流樣的類解理形貌,高倍下能看到疲勞條帶和二次裂紋,如圖5、圖6所示。


圖5  擴展區(qū)類解理形貌


圖6  擴展區(qū)二次裂紋


瞬斷區(qū)是韌窩和準解理混合形貌。高倍下能看到明顯的韌窩。失效件屬于多源疲勞斷裂,如圖7、圖8所示。


圖7  瞬斷區(qū)韌窩和準解理混合形貌


圖8  瞬斷區(qū)韌窩形貌


6. 金相分析
選取失效件的橫向及縱向截面作為檢驗面,鑲樣經(jīng)粗磨、細磨、拋光后,使用4%硝酸酒精腐蝕后觀察其金相組織。橫向組織為狀態(tài)不均勻的珠光體和網(wǎng)狀鐵素體組成,珠光體較多,屬于中碳鋼正火態(tài)的室溫組織,如圖9、圖10所示。


圖9  斷面中間位置橫向組織(100×)


圖10  斷面邊沿位置橫向組織(100×)


失效件縱向組織如圖11、圖12所示。鐵素體和珠光體呈平行交替的帶狀組織。原材料鋼經(jīng)過鍛壓熱軋后鐵素體和珠光體一般會沿著變形方向分布。根據(jù)國標GB/T13299—1991《鋼的顯微組織游離滲碳體、帶狀組織及魏氏組織評定方法》,失效件的帶狀組織屬于C系列5級(見圖13),即變形鐵素體晶粒為主構(gòu)成貫穿視場的鐵素體-珠光體不均勻的交替帶。

圖11  斷面中間位置縱向組織(100×)


圖12  斷面電動機軸邊沿位置縱向組織(100×)


圖13 C系利帶狀組織評級圖(5級)


未斷電動機軸橫向組織為狀態(tài)均勻的珠光體和網(wǎng)狀鐵素體組成,視場中鐵素體較多,無馬氏體、回火索氏體等組織,屬中碳鋼正火態(tài)組織,如圖14、圖15所示。其縱向組織鐵素體聚集,沿變形方向取向,帶狀組織并不明顯,如圖16、圖17所示;按照國標GB/T13299—1991處于C系列1級(見圖18)。

圖14 電動機軸中心位置橫向組織(100×)


圖15  電動機軸外邊沿橫向組織(100×)


圖16  電動機軸中心位置縱向組織(100×)


圖17  電動機軸外邊沿位置縱向組織(100×)


圖18 C系利帶狀組織評級圖(1級)


失效件與正常使用電動機軸的室溫組織對比如表3所示。原材料熱鍛時溫度在鐵素體和奧氏體兩相區(qū),鐵素體沿金屬流動方向直接從奧氏體中成帶狀析出,而未分解的奧氏體也被分割成帶狀,轉(zhuǎn)化為帶狀珠光體。故障件的帶狀珠光體比較多。此類偏析可以通過正火處理完全消除。失效件室溫組織評級更高,帶狀組織更明顯,屬正火處理不完全導(dǎo)致組織異常。

表3  失效件與正常使用電動機軸的室溫組織對比


帶狀組織的出現(xiàn)會導(dǎo)致材料力學(xué)性能呈現(xiàn)方向性,順著帶狀方向的強度、塑性、韌性較高,垂直帶狀方向的強度、塑性、韌性下降,同時使工件硬度不均勻。

7. 結(jié)語
綜上所述,電動機軸斷裂失效的形式是多源疲勞斷裂。排除設(shè)計強度不足、材料成分影響及機加工裂紋。失效件由于正火處理沒完全消除帶狀組織,組織達到國標GB/T13299—1991《鋼的顯微組織游離滲碳體、帶狀組織及魏氏組織評定方法》C系列5級,導(dǎo)致硬度不均勻,力學(xué)性能下降,長時間荷載運轉(zhuǎn)下出現(xiàn)疲勞斷裂。


作者:盤瑋

單位:格力電器股份有限公司

來源:《金屬加工(熱加工)》雜志

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