某電廠電動機(jī)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(jī)軸是電動機(jī)設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵部件，某電廠電動機(jī)軸發(fā)生斷裂，其材料采用45鋼。45鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，是軸類零件常用材料，其經(jīng)過調(diào)質(zhì)后，可得到較好的切削性能，且能獲得較高的強(qiáng)度和韌性等綜合力學(xué)性能。目前，國內(nèi)外許多學(xué)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(guī)島水泵軸承斷裂原因分析認(rèn)為，機(jī)組功率的頻繁或大范圍波動，將促使電動機(jī)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)疲勞斷裂。另外，材質(zhì)問題對設(shè)備失效起到加速作用。泵軸材質(zhì)為45鋼，由于調(diào)質(zhì)處理不合理，故材料組織出現(xiàn)了二次鐵素體和魏氏組織，降低了材料疲勞強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度。同時(shí)，軸心冶金缺陷使泵軸出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)疲勞直至斷裂[2，3]。高學(xué)平[4]認(rèn)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(jī)軸表面加工缺陷易形成早期裂紋萌生區(qū)，材料組織晶粒粗大及非金屬夾雜物導(dǎo)致材料的疲勞極限和屈服強(qiáng)度降低[5]。

2 材質(zhì)及性能檢測

2.1 宏觀觀察

圖1所示為斷裂電動機(jī)軸宏觀形貌。其中，圖1a所示為電動機(jī)軸整體形貌；圖1b所示為電動機(jī)軸斷口宏觀形貌。由圖1b可見，電動機(jī)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?jǐn)嗝孑^平整，僅在最后斷裂區(qū)有撕裂變形。此外，斷口表面有周向磨損痕跡，最終斷裂區(qū)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(jī)軸宏觀形貌

2.2 化學(xué)成分分析

對電動機(jī)軸斷口附近進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。由表1可見，試樣的化學(xué)成分未見明顯差異，且均滿足GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》要求。

2.3 力學(xué)性能測試

依據(jù)GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，在斷口附近切取的全截面金相試樣上進(jìn)行布氏硬度檢測，結(jié)果見表2。從表2可看出，在電動機(jī)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(jié)果 （HBW）

依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》及GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，分別對電動機(jī)軸取樣進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)U型缺口試樣。試驗(yàn)結(jié)果及對比見表3。

表3 室溫拉伸、沖擊性能測試結(jié)果及對比

電動機(jī)軸采用鍛造工藝生產(chǎn)，參考JB/T 1271—2014《交、直流電機(jī)軸鍛件 技術(shù)條件》規(guī)定：45鋼一般可按照正火+回火進(jìn)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(jī)軸取樣室溫拉伸性能均能滿足上述標(biāo)準(zhǔn)要求，沖擊吸收能量則略低于標(biāo)準(zhǔn)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(jī)軸軸向斷口附近處試樣的金相組織。從圖2a、b可見，電動機(jī)軸斷口附近整個(gè)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(jī)軸軸向斷口顯微組織

2.5 非金屬夾雜物檢測

取電動機(jī)軸縱截面金相試樣，在拋光態(tài)下對樣品截面進(jìn)行非金屬夾雜物檢測，結(jié)果如圖3a所示。由圖3a可見，電動機(jī)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(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

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(qū)出現(xiàn)塑性變形特征。斷口表面有周向旋轉(zhuǎn)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(kuò)展區(qū)位置2（見圖4c）和位置3（見圖4d）均發(fā)現(xiàn)明顯的疲勞條帶，表明斷口斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂[2，9]；位置4（見圖4e）也發(fā)現(xiàn)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(yīng)力相對較大；位置5（見圖4f）為最后斷裂區(qū)，即瞬斷區(qū)，低倍下有明顯的塑性變形，微觀上呈韌窩形貌。終斷區(qū)位于軸約1/2半徑處，且軸的表面存在旋轉(zhuǎn)磨損特征。綜上可看出，該電動機(jī)軸斷口屬于旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂斷口[10，11]。

圖4 斷口掃描電鏡微觀形貌

3 結(jié)果與分析

通過對斷裂電動機(jī)軸取樣進(jìn)行各項(xiàng)理化性能檢測，并結(jié)合電動機(jī)軸的運(yùn)行工況，對其斷裂原因進(jìn)行綜合分析。

1）電動機(jī)軸材料為45鋼，化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)。

2）電動機(jī)軸斷裂性質(zhì)為旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。經(jīng)核實(shí)，該電動機(jī)軸服役工況為長期處于振動超標(biāo)狀態(tài)，振動是引起電動機(jī)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(yīng)力集中，在一定程度上促進(jìn)了疲勞微裂紋的萌生。此外，電動機(jī)軸材料中較高含量的非金屬夾雜物也是促進(jìn)疲勞源區(qū)微裂紋萌生的因素之一。

4 結(jié)束語

通過對某電廠斷裂電動機(jī)軸取樣試驗(yàn)分析，得出如下結(jié)論。

1）電動機(jī)軸使用材料為45鋼，組織為正火或退火態(tài)。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(zhì)量，采用非金屬夾雜物含量較低的較純凈材料進(jìn)行制造。

2）電動機(jī)軸斷裂性質(zhì)為旋轉(zhuǎn)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(jìn)了疲勞微裂紋的萌生。

3）45鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，但耐腐蝕性較差，建議減少與S、Cl等腐蝕介質(zhì)的接觸，以避免軸表面受到腐蝕。