电动机轴断裂失效研究

徐宏伟

摘 要：对锦州石化富马酸车间发生断裂的电动机轴进行失效分析，采用扫描电镜、金相检查拍摄微观组织和断裂部位照片，结合成分分析的结果，发现该电动机轴断裂属于疲劳断裂，裂纹的起源部位位于表层，并在交变载荷的作用下向材料内部扩展，最终形成断裂。造成断裂的主要原因是由于加工缺陷，造成内部夹杂，形成了断裂源。

关键词：失效分析；疲劳断裂

中图分类号：[TM3] 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2013）-12-0233-01

1、概述

电动机广泛应用于制造、生产、运输等社会经济生活的各个领域。转子轴是电动机产生动力与输出动力的重要部分，是电机结构的核心部件。在整个机体结构中处于重要的位置。由于频繁的启动、载荷变化等，使转子轴的故障成为电动机的主要故障之一[1-3]。

锦州石化公司富马酸车间的一台往复式压缩机，于1999年10月投入运行，在间断运行了3200小时后，其电动机转子轴突然发生了断裂。轴的转速为300rpm， 材质为45号钢，加工过程为锻造后进行车削加工。针对此次现场发生失效问题，我们采用扫描电镜等分析手段对其断裂失效的原因进行了分析。

2、监测结果

2.1 宏观形貌分析

电动机转子轴的宏观断口形貌见图1，从整个断口断裂情形上看，属于一个多源断裂的形式，且整个断面呈现螺旋状特征，典型断面至少有四个，即图中A、B、C、D四个区域，其中最大的断面为C断面，在C断面的临近处，即在轴心区域（箭头所指部位），肉眼可见一条具有金属光泽的粗糙区域 ，应该为C、D区域的最终断裂重合区。 在交汇处可见明显的台阶状形貌。在疲劳区能清晰的观察到贝壳线。

A、 B区域的局部图片见图2，C区局部图见图3。在从三个区域的图片可以初步判断电机转子轴的断裂形式为疲劳断裂，每个区域的大面积光滑区域为疲劳区，偏转区域较粗糙，为疲劳断裂的最后破断区。 破断区面积占总面积约20%左右。从图可明显可见裂纹起源于外表面，并向内部扩展。另根据电机轴外表面状态进行观察，可看到，外表面局部有刀痕等表面缺陷。

图2 A、B区域局部放大图

2.2 扫描电镜分析

分别采用扫描电镜对断裂区域进行观察。其结果如下图所示

图4-图6A区域的微观形貌，可以观察到，在近裂纹源附近的断口形貌主要为解理断裂，说明材料的韧性较差。在疲劳区可以看到疲劳辉纹主要为波浪型。在图7的高倍电镜观察中可以看到方形的夹杂物，而断裂的条纹就起源于方形的夹杂物。

图7为B区的微观形貌，疲劳区可见波浪型辉纹，破断区为解理断裂形貌。图8为C区断裂微观形貌，同A、B区断裂形似相同，疲劳区可见辉纹，破断区主要为解理断裂，并且在疲劳区可见密集分布的断面二次裂纹。

4、结论及建议

电机轴的断裂属于疲劳断裂，裂纹的起源部位位于表层，并在交变载荷的作用下向材料内部扩展，最终形成断裂。导致断裂主要原因包括：

（1）表面光洁度不高，另外有表面刀痕等表面加工缺陷等，导致了裂纹的早期萌生；

（2）金相组织不够优良，晶粒粗大和网状铁素体的存在，以及较硬的TiN夹杂物的局部聚集等因素，使材料的疲劳极限降低，促进了裂纹的进一步扩展，另外晶粒粗大等组织缺陷致使材料屈服强度低，这也是疲劳过早萌生的一大因素。

針对以上情况，建议采取以下改进措施：

（1）调质处理：正确的调质处理，加以感应表面淬火或表面喷丸处理，则耐疲劳效果更佳。

（2）提高表面加工质量，尽力减少应力集中。