1.背景（jǐng）介紹

　　某型主電機搭載公交車上，運行約14萬（wàn）千米後，電（diàn）機軸斷裂。為找出斷裂原因，給改善產品質量（liàng）提供依據，需做失效（xiào）分析。考慮到靠端（duān）蓋的（de）殘餘段頂部在斷後被人為（wéi）敲擊（圖1），而斷裂分離出的大（dà）斷件（jiàn）斷後未受敲擊（圖2），因此，失效（xiào）分析（xī）將大斷（duàn）件列為（wéi）主要（yào）分析對象，殘餘斷件做參考。

　　2　檢查分析
　　2.1外觀觀查
　　如圖3所（suǒ）示，電機軸斷口有鏽跡（jì），斷口（kǒu）右側頂部局部外（wài）翻，是（shì）碰撞變形痕跡，斷口周（zhōu）邊沒有斷（duàn）前塑性變形和（hé）高溫氧化（huà）色。斷麵與（yǔ）軸線大致呈（chéng）45°角，斷口（kǒu）形貌可區分為A-裂（liè）紋（wén）源區，B-裂紋擴展區，和C-Z後快速斷裂（liè）區三個區域。其中（zhōng）在B-裂（liè）紋擴展區（qū）域有清（qīng）晰可見的疲勞擴（kuò）展條帶，疲（pí）勞源區與疲勞擴展區麵積略大於整個斷口麵（miàn）積（jī）的1/2。隨（suí）著疲勞裂紋擴（kuò）展，疲勞弧線法線（xiàn）方向按順時針方向發生偏轉，為彎曲扭轉（zhuǎn）疲勞斷裂特征。
　　如圖（tú）4所示（shì），檢查軸側麵與裂紋源區對應位置，在矩形框內發現有凹坑。

　　如圖5所示，疲勞裂紋源區所在軸向長度離花鍵端麵約193毫米，剛好在（zài）電（diàn）機（jī）軸幾何台階附（fù）近（圖6）。台階（jiē）位置因幾何形狀突變，應力（lì）集中（zhōng）較大，本身是危險斷裂區。
　　如圖（tú）7所示，斷（duàn）軸（zhóu）有四條花鍵在定位（wèi）套外邊緣位置出現台階，並且有台階的區域（yù）表麵高溫氧化，且台（tái）階表麵壓痕與定位套內邊緣輪廓吻合（hé）；而定位套邊緣沒有台階的（de）半周則沒有高溫氧化痕跡（如圖8）。

　　根據以上描述，再檢查定位套內邊緣，局部區域也有壓傷痕跡（圖9）。自（zì）此確定軸花鍵上的新增（zēng）台階是被定位套內邊緣擠壓出來的。

　　2.2顯微檢查
　　如圖10所示，次表麵位置A所在區域發散條紋Z後收斂於圖中的折疊缺陷，確認折疊缺陷是疲勞裂紋源。對折疊缺陷右上方孔洞，即圖（tú）4中的凹坑缺陷放大檢查（如圖11），發（fā）現孔洞兩側顏色（sè）不同，折（shé）疊表麵是高溫氧化色，沒有新斷麵，孔洞（dòng）兩側輪廓不匹配，是（shì）在出廠前就（jiù）存在的缺陷。
　　檢查靠蓋板半邊斷口形貌，在對應位置同樣發現有折疊的缺陷（xiàn）特征（圖12、13）。

　　如圖14所示，鍵槽表麵新（xīn）增台階兩側沒有磨痕。檢（jiǎn）查台階側麵（圖15），台階斜（xié）麵大約與花鍵軸表麵呈150°夾角。台階右側，即朝向端蓋的花鍵表麵下沉，並且越靠近台（tái）階處，下沉越大，在花鍵軸端部恢（huī）複原始表麵（miàn）高度，即表麵是（shì）傾斜（xié）的。這與（yǔ）擠出特征相吻合。

　　2.2硬度試驗（yàn）

　　對主軸切片，檢驗（yàn）心部和表麵淬火層硬度。心（xīn）部硬度HV1在314～324.5區間（jiān）；表層淬硬層HV1硬度在485.9～503之間（jiān）。硬度符（fú）合電機軸使用要求（qiú）。

　　2.3金相檢（jiǎn）查
　　在裂紋源附（fù）近的折疊缺陷處縱向取樣，拋光後未腐蝕檢查，在開裂處有氧化物（圖16）。腐蝕後檢查（chá），次（cì）表層內開裂（liè）處邊緣白色組（zǔ）織是嚴重脫（tuō）碳層組織（圖17），據此（cǐ）推斷此處裂紋（wén）是鍛造（zào）裂（liè）紋。
　　在100X下檢（jiǎn）查心部金相組織（圖18），發現有明顯的帶狀組織，按GB/T13299評定帶狀（zhuàng）組織級別為3級。在裂紋源附近的（de）鍛造缺陷處檢（jiǎn）查（圖（tú）19），發現早期開裂位置是在帶狀組織的界麵上，裂口兩邊有金屬流線特征。
　　軸（zhóu）心（xīn）部組織主要為塊狀F+B，由於（yú）存在帶狀組織，導致熱處理組織不（bú）均勻（yún）（圖20）。

　　在裂紋源附近橫（héng）向（xiàng）取樣，檢查淬（cuì）硬層深4.5毫米，組織為隱晶M+細（xì）小塊狀F。

　　2.4EDS微區成分探測
　　圖22是對圖19中的鍛造缺陷作掃描電鏡圖像，標示（shì）有1、2、3、4的微小（xiǎo）區域是EDS能譜分析探測範圍。
　　圖23～26依次為（wéi）對微區1～4的EDS能譜分析圖，表1為分析結果。綜合來看，區1主要是（shì）非金屬成分；區（qū）2和區3成分相近，主要是金屬氧化（huà）物成分；區4是基體金屬（shǔ）成分。
　　EDS分析結果（guǒ）證明在次表層位置出現的裂紋，內部已經嚴重氧化，是（shì）鍛造不當（dāng）造成的。

　　2.5化（huà）學成分分析
　　采用直讀光譜儀檢查材料化學成（chéng）分，分析結果見表2，所有元素含量都（dōu）在42CrMo正常範圍內，沒有出現錯料現象。

　　3　理論（lùn）分析（xī）
　　3.1軸（zhóu）斷裂原因分析（xī）
　　電動機工（gōng）作過程中，電機軸主要受扭（niǔ）矩（jǔ）力（lì）和（hé）自（zì）身（shēn）重力向下的彎曲力矩作用，在軸表麵應力Z大，疲勞（láo）裂紋傾向於在軸（zhóu）表麵（miàn）或次表麵位置產生。電機軸台（tái）階位置，由於幾何突（tū）變，應力集中大，是危險斷裂區。當存在折疊缺陷等（děng）鍛造缺陷時，疲勞強度顯著降低，特別是在台階部（bù）位的折疊缺（quē）陷，導致電機主（zhǔ）軸（zhóu）過早產生疲勞裂紋。
　　當主軸材（cái）料內部有帶狀組織缺陷時，材料成分和（hé）組織不均勻，F含（hán）量少的（de）條帶夾在塑性較好的（de）高F條帶之間，脆性大，容易開（kāi）裂。材料橫向機械性能比縱向機（jī）械（xiè）性能低很多，疲（pí）勞裂紋在彎（wān）曲力和（hé）扭力橫向作用下，快速擴展，發生（shēng）斷裂。

　　4　結（jié）論
　　次表麵折疊（dié）缺陷降低電機主軸的表麵強（qiáng）度，電機（jī）主軸工作過程（chéng）中，在彎矩力與扭矩力共同作用下，在次（cì）表麵折疊缺陷（xiàn）位置過早產生疲勞裂紋。材料（liào）內部的帶狀組（zǔ）織（zhī）對疲勞裂紋產生和擴展起促進（jìn）作用。