40Cr电机轴断裂原因分析

杨 维，李 龙

（中交西安筑路机械有限公司，陕西 西安710200）

电机是机械设备提供动力的重要部件，近年来其各类设备的电机故障时有发生[1，2]。就某工地J3000型搅拌设备振动筛所配备的15 kW三相异步电机（型号YE3-160L-4）的电机轴在运转过程中发生断裂，且该类似的断轴事故在设备运行初期两月内相继发生三起，给用户和生产厂家均带来了极大的经济损失。据悉，该电机为后备采购件，电机轴最小直径Φ42 mm，最大直径Φ55 mm，总长638 mm，其材料和热处理工艺要求为40Cr调质。工作过程中该电机轴承受着扭转应力和交变弯曲应力的双重作用力，零件使用性能要求高；为了找出电机轴断裂的主要原因，从理化检验和强度校核方面进行了分析讨论。

1 理化检验

1.1 宏观检验

断裂位置发生在电机轴最大轴径Φ55 mm与中部Φ44 mm过渡轴肩台阶根部，紧靠轴承安装部位，断裂面与电机轴轴线垂直，如图1（a）.电机断轴宏观整体形貌。断轴宏观断口整体平齐、组织细腻，轴肩台阶过渡处为直棱角、无过渡圆角，根部加工刀痕粗糙、清晰可见；断口局部有红褐色锈蚀痕迹，分布于断口周向边缘，说明裂纹源早期萌发于此，形貌如图1（b）电机断轴宏观局部形貌。

图1 电机断轴宏观形貌

进一步检测发现紧靠电机壳体端的电机轴圆周表面集聚粘附着许多金属颗粒，并伴有烧灼状冷焊痕迹，如图2异常附着形态。同时，相应部位与其配合安装的电机壳体内孔有一些异常的凹槽和摩擦流线，以及明显撕裂痕迹；电机壳体外侧翻边毛刺凸出，即零件相互摩擦而产生的塑性变形形态，见图3电机壳异常磨损。可知电机轴与电机壳之间的磨损机理为典型的粘着磨损[3]。

图2 异常附着形态

图3 电机壳异常磨损

1.2 化学成分分析

从断轴截取一组试样，采用光电直读光谱仪进行化学成分分析。结果如表1断轴的化学成分，可知其各元素含量均符合GB/T3077-1999《合金结构钢》40Cr钢材成分要求。

表1 断轴的化学成分（质量分数w t%）

1.3 硬度测试

用200HRS-150型洛氏硬度计对电机轴断裂两部分分别进行测试，数值见表2洛氏硬度测试结果，实测硬度范围23～24.5HRC.资料可查，40Cr材料调质工艺规范硬度25～30HRC为佳，能获得优良的综合机械性能和较好的切削加工性能。可见，电机轴硬度偏低。

表2 洛氏硬度测试结果H R C

1.4 金相检验

从电机断轴截取金相试样，经研磨、抛光，然后用4%硝酸酒精溶液（体积分数）侵蚀，通过金相显微镜观察其形态，材料显微组织为回火索氏体，如图4所示。组织正常，未发现其他异常组织。

图4 电机轴显微组织形态

1.5 断口分析

如图5断口宏观形貌所示，疲劳断口三区域特征明显，清晰可见。疲劳裂纹源位于断口边缘多处，起始于轴表面，裂纹由边缘向心部扩展，有早期腐蚀痕迹；裂纹扩展区组织细腻、平整，约占整个断面面积的四分之三；瞬断区表面粗糙、高低不平，并有明显的挤压和磨损痕迹，所占面积相对较小，说明轴断裂时承受的应力较小，断裂后断面仍存在相对摩擦作用导致瞬断放射状形态破坏。

图5 断口宏观形貌

通过扫描电镜进一步观察断口边缘的腐蚀痕迹，可见图6裂纹源微观形貌。发现断口边缘各裂纹源处均存在开裂台阶，呈明显的线源特征[4]，为多源疲劳。说明断口表面应力集中现象严重。图7扩展区微观形貌可见，裂纹扩区面积较大，疲劳辉纹明显，疲劳条纹间距较小、密集，说明断裂件经历了较长时间的裂纹扩展期。

图6 裂纹源微观形貌

图7 扩展区微观形貌

从上述断口形貌，可以判断该电机轴属于多源的低应力旋转弯曲高周疲劳断裂。

2 强度校核

电机轴运行旋转过程主要承受扭矩传动力，根据其强度推荐计算公式[5]：

式中：d为轴的直径（mm）；P为传递的功率（kW）；n 为轴的转速（r/min）；[τ]为许用扭转剪切力（MPa），C为材料和承载情况确定常数。

已知：电机功率P=15 kW，转速n=1 470 r/min，dmin=42 mm，表3可查推荐值C=107（假设承受最大弯矩，取最大值107），代入数值得：

由于电机轴存在键槽一个，轴径应增大5%～7%.

d≥ 23.2×（1+7%）=24.8 mm

电机轴实际最小轴径dmin=42 mm，远大于极限载荷强度轴径要求，设计合理。

表3 常用材料的[τ]值和C值

3 分析与讨论

从上述理化检验和强度校核可知，40Cr电机轴的化学成分、金相组织均符合技术要求，轴径强度设计合理，但硬度偏低，电机断轴宏观形貌存在多处异常。

以承载强度角度考虑，虽电机轴实测硬度值23～24.5HRC，比工艺要求硬度低2 HRC，对40Cr材料的力学性能会产生一定影响，但轴径设计尺寸较大，足以弥补强度损失。所以，硬度值偏低，并非电机轴断裂的真实原因。

通过断轴宏观形貌检验可知，电机轴实际机加工过程中存在严重缺陷，其轴肩台阶根部无过渡圆角、为直棱角，且根部加工刀痕粗糙，如图1（b）局部形貌。根据GB/T6403.4-2008《零件倒圆与倒角》规定，该电机轴Φ44 mm轴端倒角半径推荐值应为1.6 mm，而实际加工远不满足机械设计规定要求。导致该轴局部严重应力集中，近而诱发零件表面大量裂纹萌生，在交变载荷作用下产生疲劳断裂。同时，从图2、图3电机轴与电机壳的异常痕迹可以推断，它们彼此之间发生着严重的粘着磨损，通过实测后得知电机壳体内孔过小，和电机轴的安装关系为过渡配合，并非间隙配合。导致电机轴无法自由运转，而在驱动运行过程中受到了一个不均衡的摩擦阻力，说明电机壳的制造、装配过程极为不当。

断口形貌分析发现，断口疲劳裂纹源并非萌发于断面某一局部位置，而是分布于整个断口边缘多处，呈多源特征；而多源疲劳又是应力集中引起疲劳失效的重要特征。依据疲劳断口三个区域的明显形貌特征综合判断，该电机轴的断裂为多源的低应力旋转弯曲高周疲劳断裂。

同时，电机轴在服役运行过程不仅承受驱动扭矩，还要承受电机壳摩擦阻力造成的弯曲应力，其主要受力为交变的弯曲应力和扭转应力，零件的应力状态和断口特征是完全相吻合。

4 结束语

（1）该40Cr电机轴的断裂形式为多源的低应力旋转弯曲高周疲劳断裂。

（2）零件机加工过程存在的严重缺陷，如轴肩台阶根部的直棱角和粗糙刀痕（未倒过渡圆角），形成了严重应力集中区，是诱发电机轴断裂的主要原因；同时因电机轴与电机壳的制造装配极为不当，促使它们彼此之间发生了严重的粘着磨损，而在电机轴驱动运转过程中受到了一个不均衡的摩擦阻力，加快了电机轴的断裂，也是导致该轴断裂的重要原因。

（3）理化检验过程虽发现电机轴实测硬度偏低，对40Cr材料的力学性能有一定影响，但材料金相组织正常，轴径设计尺寸较大，足以来弥补零件强度的损失。从断口形貌观察推断，该电机轴在交变载荷作用下发生了低应力高周疲劳断裂，材料硬度因素并非为40Cr电机轴断裂的真实原因。

（4）为了避免电机轴后期发生类似断裂失效问题，建议应从零件的设计、生产、过程控制等方面层层把关，严格执行标准技术要求，彻底防止轴肩台阶根部刀痕、过渡圆角不规范等造成的应力集中和制造安装不当引起的磨损失效问题，以及材料性能指标异常现象，保证设备运转过程中的各种不利因素降到最低。