（美信檢測）
1 引言（yán）
某型電機是叉車行走電機（jī），出廠前做行走測試時電（diàn）機軸斷（duàn）裂。為找出斷裂（liè）原因（yīn），給（gěi）改善產品質量（liàng）提供依據，需做失效分析。圖1為送檢（jiǎn）的斷軸；圖2是與斷軸同批次生產，未使用的新軸，做失效分析對比用。為後（hòu）麵（miàn）敘述方便，在圖1中標（biāo）出斷口（kǒu）位置，斷口左邊的部分標為“前段”，斷口右邊的部（bù）分用“後段”表示（shì）；在圖2中，將斷裂處（chù）的R用“根圓”標示，電機軸有3處軸承配合表麵，分別用S1～S3標示。
2 檢查分（fèn）析
2.1外觀檢查
圖3是斷軸的前段，也是電機軸的輸出部（bù）分，檢查表麵沒有高溫氧化色，也沒有彎曲變形（xíng）或頸縮現象。圖中四邊形內，S1表麵有擦（cā）碰痕跡，在右側S2表麵沒有擦碰（pèng）痕跡。S3與（yǔ）S2表麵狀態相同，又遠（yuǎn）離（lí）斷點，不再貼圖。
如圖4所示，後段與定子線束對應位置發現（xiàn）藍色高溫氧化色。失效後廠家檢查（chá）電機定子線束沒有燒蝕或短（duǎn）路現象，再（zài）考慮到電機有超溫保護跳閘功（gōng）能，因此分析（xī）斷軸上的表麵氧化色是裝配時形成的，與此（cǐ）次電機軸斷裂無關。
圖5、圖6分別為前段（duàn）、後段斷口。兩部（bù）分斷（duàn）口吻合度高，斷口平齊，斷麵與軸（zhóu）向大致垂直。
2.2顯微檢查
圖7、圖8是斷口形貌圖。斷口圓周邊緣有若（ruò）幹下凹點，產生裂紋（白色箭頭標示處），由表向內（nèi）擴展，是裂紋源區，用A表示；B區觀察到若幹同（tóng）心（xīn）圓的周向擴展條紋，是（shì）扭轉疲勞的裂紋特征；C區沒有周向裂紋擴展痕跡，是一次性扭斷區。A、B、C區都以圓心中心對稱，裂紋擴（kuò）展（zhǎn）如黑色箭頭所示，沿半徑指向中心。
圖9是（shì）根圓區域放大圖，其中四方形內的R1就是根圓。根圓相鄰的平麵用A標示，平麵A左右分別是斜麵B和C。
如圖10所示，在（zài）根圓與（yǔ）A平麵接點附近斷（duàn）裂。A平麵加工紋路粗糙。圖11中A平麵的粗糙度明顯差於C平麵。
如圖12所示，新品（pǐn）A平麵粗糙度差（chà）於C平麵，也差於圖13中S2軸承接觸表麵（miàn）。
如圖14所示，做徑向切片，測量斷軸根圓半徑R=0.46mm。生產廠家對失效電機軸同批次產品抽檢，根圓半徑R=0.37mm，均低於技術要求的R=1mm。根圓在白色箭（jiàn）頭指示的接點位置，不能與兩邊直線邊相切。R偏小，接（jiē）點不相切，圓弧與直角邊過（guò）渡突兀，應力集中相應增大（dà）。根圓附近的A平麵加工粗（cū）糙，進一步增大接點附近的應力集中。
如圖（tú）15所示，對斷軸S1及相鄰表麵顯微檢查發（fā）現，1.1毫米槽左側非軸承接觸表麵也出現軸承壓痕和磨痕，據（jù）此判（pàn）斷S1處（chù）的軸承與（yǔ）軸表麵存在穿動現象。測量（liàng）斷軸（zhóu）S1處直徑為Φ19.97～20.00mm，小於Φ20.2的技術要求下限值（zhí）。對比測量新軸S1處直徑為Φ20.31，符合技（jì）術要求。因此斷軸在S1部位直（zhí）徑小於技術要求，是軸承（chéng）擠壓和（hé）磨損造成的。
2.2硬度試驗
檢驗斷軸硬度，結果如表1，表（biǎo）麵硬度與心部硬（yìng）度相差不大，該電機軸未（wèi）做表麵熱處理。根據GB/T1172，斷軸心（xīn）部硬（yìng）度對應的（de）抗拉（lā）強度為797～808N/mm2。比GB/T3077中（zhōng）提供的40Cr材料調質後980N/mm2的抗拉強度值低22.5%。
分析認為如果適當提高心部硬度（dù）、表麵硬（yìng）度，可以提高（gāo）軸的強度和疲勞強度。
2.3金相檢查
如圖16所（suǒ）示，沿直（zhí）徑方向縱向解剖，低倍檢查剖麵發現，表層組織（zhī）與心部組織差別不（bú）懸殊，斷軸未做表麵熱處理。
如圖17所示，斷軸有帶狀組織，根據GB/T13299評定帶狀組織為3級。帶狀組織降低電機軸橫向機械性能和扭轉疲勞強度。
圖18是（shì）心部金相組織，為回火S+部分T+條狀及網狀F，根據GB/T13320評級（jí）為5.5級。組織級別評定越高，斷軸材料強度、疲勞強度越低，脆性越（yuè）大。受帶狀組織的影響（xiǎng），斷軸金相組織具有不均勻性。
圖19是表層金相組織，為回火S+少量（liàng）F，根據GB/T13320評級為2.5級。
2.4SEM分析
如圖20所示，裂紋起源於邊緣的凹坑，凹坑附近沒有夾雜等材料缺陷（xiàn）。由於凹坑處的缺（quē）口效應，應力高度集中，大於材料強度時（shí），引發裂紋，釋放尖端應力。隨後在扭轉力作用下，裂紋沿圓（yuán）周方向擴展。在圖中右下角觀察到兩條白色紋，是扭轉力作用下產生台階（jiē），A區開始向B區過渡。
圖21是（shì）疲勞（láo）裂紋（wén）擴展區，觀察到疲勞條紋，以及與貝殼（ké）方（fāng）向一致的二次裂（liè）紋。裂紋穿過晶界（jiè），在晶內擴展，具（jù）有穿晶斷裂特（tè）征。扭（niǔ）轉疲勞條紋和正斷型（xíng）斷口上的條紋不同，每個條（tiáo）紋實際（jì）上是小的台階或二次裂紋，有的出現分叉，長條紋之間還有短條（tiáo）紋。從應力狀態分析（xī），在橫向剪切時，裂紋沿（yán）圓周擴展（zhǎn）的方向與剪切位移的方向平行，屬II型應力。上述的條（tiáo）紋實際上是裂紋（wén）尖端在（zài）剪切應力反向的過程中產（chǎn）生（shēng）的剪切台階、二次裂紋（wén）或擦傷痕跡。
SEM分析結果表明，斷口微觀上具有（yǒu）扭轉疲勞斷裂的特征。
2.5化學（xué）成分分析
采用硫（liú）碳分析儀+IPC檢查（chá）材料化學成分，分析結果見表2，與GB/T3077對照，除P元素0.0256略超出高（gāo）級優質鋼40CrA中P≤0.025Z低要求，但在優質鋼40Cr中P≤0.035範圍（wéi）內，其（qí）他所有元素含量都在40CrA正常範圍內。
3 理論（lùn）分析
如圖22所示，電機軸是豎直放置，正常工作過程中，主要受扭轉力的作用。如果（guǒ）工（gōng）作過程中，輸出端的軸承有（yǒu）穿動現象，那麽軸（zhóu）在軸承配合表（biǎo）麵容易磨損（sǔn）或變形。軸材（cái）料硬度越低（dī），磨損和變形加劇（jù）。軸承配合間隙隨之增大，軸承套與軸S1表麵配（pèi）合鬆動，振動加速（sù）度變大，當齒輪齧合時，會產生一定間隔的較大衝擊力F。如果以電機軸軸心為圓心，圓心到齒輪齧合位置為半徑畫圓，那麽齒輪齧合產生的衝（chōng）擊力主要沿圓周方向，與半徑相切。參考裝配圖，S2軸承承載部分（fèn）通過螺栓聯接，與（yǔ）大減速齒輪實際成為一個整體（tǐ）。假設S2表麵到齒輪齧合（hé）處距離為L，那麽衝擊力對軸S2的扭矩M=F*L，F越大，M也越大。
斷裂部位在軸與軸肩過渡處，此位置直徑發生突變。實際根圓半徑太小，圓角（jiǎo）與直邊接點不相切，應（yīng）力集中程度大，容易開（kāi）裂。材料強度和疲勞強度越低（dī），開裂趨勢越大。
4 結論（lùn）
電（diàn）機軸輸（shū）出端軸承穿動，導致軸表麵扭轉力隨齒輪齧合節拍增大，在薄弱的軸與軸肩過渡圓角接點（diǎn）處引發電機（jī）軸低周扭轉疲勞斷裂。軸表麵抗壓、抗磨損能力越低，軸與軸（zhóu）肩過渡圓角越小，圓角附近加工越（yuè）粗糙，以及軸材料（liào）抗疲勞強度越低，軸疲勞壽命也越低。
