圖 1斷裂電機軸宏觀形貌
軸是電機中重要的受力結構件，主要起到支撐轉動零部件、傳遞旋轉運動作用，軸同時承受扭矩和彎矩的作用。在交變應力的作用下，軸的變徑處、鍵槽、裝配件根部等位置存在明顯的應力集中，易誘發微裂紋，從而導致軸發生疲勞開裂[1-8]。
某離心風機用小型電機的功率為11 kW，轉速為3 000 r/min，聯機運行1 h后電機軸發生斷裂，電機軸斷裂于伸端裝配軸承的根部。該電機通過直連剛性聯軸器連接設備，軸直徑為 45 mm，材料為熱軋態45鋼。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了該電機軸斷裂的原因，以避免該類問題再次發生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
圖1為斷裂電機軸的宏觀形貌。由圖1可知：電機軸在變徑位置退刀槽區域發生斷裂，斷口平齊，垂直于軸向，無宏觀塑性變形，與內、外蓋裝配處存在嚴重的周向摩擦痕跡；截取一對匹配斷口，可見斷面整體較平坦，外沿光亮，呈明顯的臺階特征，擴展棱線匯聚于偏離軸心部的“魚眼區”；左側斷口“魚眼區”內凹，保留斷裂特征，但沿軸中心有一周向摩擦痕跡；右側斷口“魚眼區”外凸，摩擦嚴重，附近有發藍現象；退刀槽外沿存在明顯的周向加工刀痕，微裂紋沿加工刀痕伸展。
兩側斷口的摩擦痕跡是由外凸“魚眼區”在旋轉過程中擠壓造成的，這表明“魚眼區”的形成時間晚于斷面其他區域，應是最終瞬斷區，說明裂紋起源于退刀槽外沿，最終在心部發生斷裂。
1.2 掃描電鏡（SEM）分析
利用掃描電子顯微鏡觀察電機軸斷口的微觀形貌，結果如圖2所示。由圖2可知：部分裂紋起始區域可見機械損傷的跡象，未受損傷的區域可見精細的疲勞輝紋，輝紋的弧線圓心指向軸外側；裂紋擴展區可見疲勞輝紋和二次裂紋，且這些條帶的寬度明顯大于裂紋起始區域；瞬斷區呈韌性斷裂特征。
圖 2電機軸斷口SEM形貌
電機軸的斷裂形式為高周疲勞斷裂，且裂紋起始區位于軸外側。高周疲勞斷裂通常與循環應力有關，表現為斷口上的平行疲勞條帶，這些條帶是裂紋疲勞擴展過程留下的痕跡。
1.3 化學成分分析
利用電火花直讀光譜儀對斷裂電機軸進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：斷裂電機軸的化學成分符合JB/T 1271—2014《交、直流電機軸鍛件 技術條件》的要求。
Table 1.斷裂電機軸的化學成分分析結果
1.4 力學性能測試
沿斷裂電機軸縱向取樣，對試樣進行常溫拉伸試驗和U型缺口沖擊試驗，結果如表2所示。由表2可知：斷裂電機軸的強度、塑性及沖擊韌性均符合JB/T 1271—2014的標準要求。
Table 2.斷裂電機軸的力學性能測試結果
1.5 金相檢驗
沿電機軸縱向取金相試樣，將試樣打磨、拋光后，利用光學顯微鏡對其進行觀察。依據GB/T 10561—2023 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，基體區夾雜物評級為AT0，AH0，BT0，BH0，CT1.0，CH0，DT1.0，DH0，DS0級，夾雜物含量較低。斷裂電機軸的顯微組織形貌如圖3所示。由圖3可知：試樣基體區的組織為鐵素體+珠光體，鐵素體呈網狀分布，呈輕微的帶狀特征，晶粒均勻、細小，為45鋼正常熱軋態組織[9]；斷口區組織與基體區未見明顯差異，未見明顯冶金夾雜或熱加工缺陷。
圖 3斷裂電機軸的顯微組織形貌
1.6 退刀槽圓角尺寸及粗糙度測量
在退刀槽圓角R附近沿軸縱向取金相試樣，試樣的微觀形貌和表面三維形貌如圖4所示。由圖4可知：圓角R尺寸（半徑）為0.74 mm，滿足圖紙要求（R=0.5 mm）；垂直于刀痕方向的線粗糙度為16.0 μm，粗糙度較大。
圖 4退刀槽試樣的微觀形貌和表面三維形貌
2. 綜合分析
該斷裂電機軸的斷口平齊、垂直于軸向、塑性變形不明顯、存在明顯擠壓痕跡，斷面可見細密疲勞輝紋和二次裂紋，輝紋弧線的圓心指向軸外沿、條帶尺寸明顯寬于斷裂源區，表明電機軸發生了高周疲勞斷裂，裂紋擴展過程中電機軸受力均勻、穩定。結合現場運行情況，電機運行約1 h后電機軸發生斷裂，電機軸轉速為3 000 r/min，循環次數超過1.8×105次，具備高周疲勞工作條件。疲勞裂紋起源于表面退刀槽的整個圓周，有明顯的臺階特征，為多源疲勞開裂，進一步表明該處存在明顯的應力集中。
該斷裂電機軸的化學成分和力學性能均符合標準要求，材料中的非金屬夾雜物含量較低，顯微組織正常。表明電機軸的材料及熱處理狀態無異常。此外，裂紋附近也未見異常組織、冶金缺陷或熱加工缺陷。然而，在交變應力作用下，熱軋態45鋼的強度偏低，其表面抗疲勞開裂能力不足。因此，有必要換用調質態45鋼，以提升電機軸可靠性。
加工制造方面，退刀槽表面明顯可見周向加工刀痕，微裂紋沿加工刀痕伸展。經測量，退刀槽圓角R尺寸滿足圖紙要求，而粗糙度為16.0 μm，表明表面加工質量較差，造成局部應力集中。由此表明，退刀槽表面加工較粗糙誘發了裂紋的萌生。
該斷裂電機軸斷口試樣的瞬斷區僅占整個斷面的1%~2%，表明電機軸工作時所受的名義應力較小，排除電機載荷較大的可能。此外，瞬斷區偏離軸的中心，且軸與內、外蓋裝配處均存在嚴重的周向磨痕，理論上軸與二者應為間隙配合，說明電機軸存在偏軸旋轉的情況，運轉過程中彎矩較大。造成電機軸偏軸旋轉的因素包括電機轉子不平衡、電機與連接設備不對中、軸裝配不對中、電機整機振動等，需要對電機進行進一步排查。
3. 結論與建議
該斷裂電機軸的斷裂形式為高周疲勞斷裂，電機偏軸旋轉，退刀槽加工較粗糙，熱軋態45鋼強度偏低，最終導致電機軸發生斷裂。
建議排查電機、軸、轉子以及與設備的裝配情況，提升退刀槽表面加工質量，換用調質態45鋼電機軸，以提升軸的可靠性。
文章來源——材料與測試網