电机轴断裂失效分析

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1、电机轴断裂失效分析1背景介绍某型主电机搭载公交车上，运行约14万千米后，电机轴断裂。为找出断裂原因，给改善产品质量提供依据，需做失效分析。考虑到靠端盖的残余段顶部在断后被人为敲击（图1），而断裂分离出的大断件断后未受敲击（图2），因此，失效分析将大断件列为主要分析对象，残余断件做参考。图1.现场断裂图片图2.断裂的电机轴2检查分析2.1外观观查如图3所示，电机轴断口有锈迹，断口右侧顶部局部外翻，是碰撞变形痕迹，断口周边没有断前塑性变形和高温氧化色。断面与轴线大致呈45°角，断口形貌可区分为A-裂纹源区，B-裂纹扩展区，和C-最后快速断裂区三个区域。其中在B-裂纹扩展区域有清

2、晰可见的疲劳扩展条带，疲劳源区与疲劳扩展区面积略大于整个断口面积的1/2。随着疲劳裂纹扩展，疲劳弧线法线方向按顺时针方向发生偏转，为弯曲扭转疲劳断裂特征。如图4所示，检查轴侧面与裂纹源区对应位置，在矩形框内发现有凹坑。图3.断口检查图4.电机轴靠端盖的半边如图5所示，疲劳裂纹源区所在轴向长度离花键端面约193毫米，刚好在电机轴几何台阶附近（图6）。台阶位置因几何形状突变，应力集中较大，本身是危险断裂区。如图7所示，断轴有四条花键在定位套外边缘位置出现台阶，并且有台阶的区域表面高温氧化，且台阶表面压痕与定位套内边缘轮廓吻合；而定位套边缘没有台阶的半周则没有高温氧化痕迹（如图8

3、）。根据以上描述，再检查定位套内边缘，局部区域也有压伤痕迹（图9）。自此确定轴花键上的新增台阶是被定位套内边缘挤压出来的。图5.裂纹源到花键端部长度图6.电机轴尺寸图图7.轴花键新增台阶图8.花键无台阶的半边也无氧化色2.2显微检查如图10所示，次表面位置A所在区域发散条纹最后收敛于图中的折叠缺陷，确认折叠缺陷是疲劳裂纹源。对折叠缺陷右上方孔洞，即图4中的凹坑缺陷放大检查（如图11），发现孔洞两侧颜色不同，折叠表面是高温氧化色，没有新断面，孔洞两侧轮廓不匹配，是在出厂前就存在的缺陷。检查靠盖板半边断口形貌，在对应位置同样发现有折叠的缺陷特征（图12、13）。图9.定位套内边

4、缘检查图10.折叠缺陷图11.孔洞检查图12.裂纹源处折叠缺陷如图14所示，键槽表面新增台阶两侧没有磨痕。检查台阶侧面（图15），台阶斜面大约与花键轴表面呈150°夹角。台阶右侧，即朝向端盖的花键表面下沉，并且越靠近台阶处，下沉越大，在花键轴端部恢复原始表面高度，即表面是倾斜的。这与挤出特征相吻合。图13.裂纹源处折叠缺陷放大图14.台阶附近区域表面检查2.2硬度试验对主轴切片，检验心部和表面淬火层硬度。心部硬度HV1在314～324.5区间；表层淬硬层HV1硬度在485.9～503之间。硬度符合电机轴使用要求。2.3金相检查在裂纹源附近的折叠缺陷处纵向取样，抛光后未腐蚀检

5、查，在开裂处有氧化物（图16）。腐蚀后检查，次表层内开裂处边缘白色组织是严重脱碳层组织（图17），据此推断此处裂纹是锻造裂纹。在100X下检查心部金相组织（图18），发现有明显的带状组织，按GB/T13299评定带状组织级别为3级。在裂纹源附近的锻造缺陷处检查（图19），发现早期开裂位置是在带状组织的界面上，裂口两边有金属流线特征。轴心部组织主要为块状F+B，由于存在带状组织，导致热处理组织不均匀（图20）。图15.台阶斜面挤出下沉图16.裂纹源附近检查（50X）图17.裂纹源附近金相（50X）图18.心部带状组织（100X）图19.次表层锻造缺陷金相组织（500X）图20

6、.心部金相组织（500X）在裂纹源附近横向取样，检查淬硬层深4.5毫米，组织为隐晶M+细小块状F。图21.淬硬层组织（500X）2.4EDS微区成分探测图22是对图19中的锻造缺陷作扫描电镜图像，标示有1、2、3、4的微小区域是EDS能谱分析探测范围。图23～26依次为对微区1～4的EDS能谱分析图，表1为分析结果。综合来看，区1主要是非金属成分；区2和区3成分相近，主要是金属氧化物成分；区4是基体金属成分。EDS分析结果证明在次表层位置出现的裂纹，内部已经严重氧化，是锻造不当造成的。图22.扫描电镜检查图图23.区域1成分分析图24.区域2成分分析图25.区域3成分分析图

7、26.区域4能谱分析表1:样品MX150514002EDS测试结果(Wt%)谱图COSiCrFeMoClTotal171.4524.24//2.21/2.10100.0022.1714.230.370.7881.920.53/100.0032.5413.680.500.7682.070.45/100.0044.791.570.391.4091.440.41/100.002.5化学成分分析采用直读光谱仪检查材料化学成分，分析结果见表2，所有元素含量都在42CrMo正常范围内，没有出现错料现象。表2：化学元素分析结果(