摘 要:從斷口宏微觀特征、化學(xué)成分、力學(xué)性能、顯微組織等方面對(duì)某聚丙烯粒料均化風(fēng)機(jī)電 機(jī)軸的斷裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:該電機(jī)軸斷裂屬于脆性疲勞斷裂;電機(jī)軸材料存在疏松性 孔洞、沿晶微裂紋等缺陷以及未進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,導(dǎo)致其力學(xué)性能不足,是電機(jī)軸發(fā)生斷裂的內(nèi)在因 素;電機(jī)軸臺(tái)階下部的機(jī)加工刀痕與材料分層缺陷重疊導(dǎo)致應(yīng)力集中,產(chǎn)生多源疲勞,是電機(jī)軸發(fā) 生斷裂的外在因素. 

關(guān)鍵詞:電機(jī)軸;力學(xué)性能;制造缺陷;脆性疲勞斷裂 

中圖分類號(hào):TG１１５;TM３０６ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)０８Ｇ０６１１Ｇ０４ 

某廠聚丙烯裝置料倉均化風(fēng)機(jī)型號(hào)為３４ＧKMＧ ５００３A,其驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為２８０kW,電機(jī)以皮帶傳 動(dòng),風(fēng)機(jī) 啟 用 時(shí) 間 為 ２００９ 年 ８ 月.２０１６ 年 １２ 月 ２日裝置人員發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)電機(jī)軸沿鍵槽邊緣金屬崩 裂,如圖１所示.隨后按程序辦理了事故件緊急修 復(fù)手續(xù),送機(jī)械廠修復(fù).修復(fù)方法是將發(fā)生金屬崩 裂的鍵槽用金屬填滿加工成圓柱面,再在舊鍵槽對(duì) 面按原尺寸加工一個(gè)新鍵槽.２０１６年１２月１３日 電機(jī)軸經(jīng)機(jī)械廠修復(fù)后回裝,１８:２０電機(jī)單試以及 羅茨風(fēng)機(jī)投用后,機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)正常.２０１６年１２月 １５日１７:５０風(fēng)機(jī)電機(jī)軸發(fā)生了斷裂失效,斷裂位置 如圖２所示.筆者對(duì)該風(fēng)機(jī)電機(jī)軸進(jìn)行了檢驗(yàn)和分 析,以查明其斷裂失效原因.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 宏觀檢驗(yàn)

圖３和圖４ 分別為斷裂電機(jī)軸及斷口宏觀形 貌.可見電機(jī)軸在皮帶傳動(dòng)側(cè)發(fā)生斷裂,斷口平直 且與軸中線垂直,斷面呈灰白色無金屬光澤,電機(jī)軸 斷裂為多源斷裂,斷裂源位于新鍵槽圓弧外側(cè),即該 軸的過渡臺(tái)階下加工圓角底部的一處分層缺陷,以 及缺陷附近環(huán)向機(jī)加工刀痕形成的多處疲勞臺(tái)階. 由于臺(tái)階下部加工刀痕應(yīng)力集中[１],產(chǎn)生多源疲勞, 軸外緣出現(xiàn)多處疲勞臺(tái)階.疲勞源區(qū)未見氧化和腐 蝕跡象.斷裂擴(kuò)展區(qū)可見明顯的放射狀條紋花樣, 條紋收斂處為斷裂源,反向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向[２].裂 紋擴(kuò)展速度快,瞬斷區(qū)的剪切唇很小.斷裂源區(qū)軸 邊 緣金屬輕微磨損,斷口鄰近外表面無明顯宏觀塑性變形,斷口整體呈現(xiàn)脆性疲勞斷裂特征.

１．２ 金相分析 

分別在斷裂電機(jī)軸舊鍵槽和新鍵槽處取樣進(jìn)行 金相分析.新鍵槽附近顯微組織為鐵素體 ＋ 珠光 體,見圖５;舊鍵槽附近靠近邊緣部位顯微組織為鐵 素體＋珠光體＋魏氏體,見圖６,應(yīng)為重復(fù)焊接后焊 縫區(qū)域組織;舊鍵槽附近其他部位顯微組織為鐵素 體＋珠光體,見圖７ [３].

１．３ 斷口掃描電鏡分析 

為從微觀上判定斷裂機(jī)理,對(duì)斷裂電機(jī)軸進(jìn)行 了斷口掃描電鏡分析.分別從電機(jī)軸斷口斷裂擴(kuò)展 區(qū)和斷裂源部位取樣,經(jīng)丙酮清洗后,在掃描電鏡下 觀察.斷裂擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)清晰明顯的“海灘”花樣,見 圖８,表明電機(jī)軸斷裂為脆性疲勞斷裂.斷裂源區(qū)及部分?jǐn)嗔褦U(kuò)展區(qū)可見疏松性孔洞缺陷聚集和大量 沿晶微裂紋,見圖９.疏松缺陷是因?yàn)榻饘倮鋮s速 度和晶核生長速度不協(xié)調(diào),其結(jié)果是胞晶未長大就 已經(jīng)冷卻固化,而縮孔內(nèi)鋼液不足就被終止凝固[４], 造成疏松缺陷在斷裂源區(qū)及部分?jǐn)嗔褦U(kuò)展區(qū)大量存 在.由此推斷,電機(jī)軸組織存在疏松性孔洞、沿晶微 裂紋缺陷,致使材料的強(qiáng)韌性和抗疲勞性能下降是 造成該電機(jī)軸斷裂的重要因素.

１．４ 化學(xué)成分分析

根據(jù)技術(shù)資料,斷裂電機(jī)軸材料為４５鋼,使用 SpectroLab直讀光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié) 果 見 表 １. 可 見 電 機(jī) 軸 各 元 素 含 量 均 符 合 GB/T６９９－２０１５«優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼»對(duì)４５鋼成分的 技術(shù)要求. 

１．５ 硬度測(cè)試

對(duì)電機(jī)軸斷口鄰近橫截面進(jìn)行徑向硬度測(cè)試,結(jié)果見表２.可見電機(jī)軸心部硬度均勻,約為１６１HB;

電機(jī)軸 外 緣 硬 度 不 均 勻,自 軸 外 表 面 徑 向 向 內(nèi) １０mm,舊鍵槽附近由于修復(fù)原因硬度偏高,約為 １７０ HB,新 鍵 槽 附 近 硬 度 偏 低,約 為１５４HB. GB/T６９９－２０１５中規(guī)定 ４５ 鋼退火態(tài)的交貨硬度 應(yīng)≤１９７HB.

１．６ 拉伸試驗(yàn) 

為檢驗(yàn)電機(jī)軸的力學(xué)性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要 求及實(shí)際工況需要,對(duì)斷裂電機(jī)軸取樣,依據(jù) GB/T ２２８．１－２０１０«金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第１部分:室溫試 驗(yàn)方法»進(jìn)行拉伸試驗(yàn),取樣部位避開了舊鍵槽的修 復(fù)部位,試驗(yàn)結(jié)果見表３.可見電機(jī)軸材料的的屈服 強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均低于 GB/T６９９－２０１５技術(shù)要求.

１．７ 沖擊試驗(yàn) 

對(duì)斷裂電機(jī)軸取樣,依據(jù) GB/T２２９－２００７«金 屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法»進(jìn)行沖擊試驗(yàn),取樣 部位避開了舊鍵槽的修復(fù)部位,試驗(yàn)結(jié)果見表４.

根據(jù)電機(jī)軸的金相分析結(jié)果可以推斷其熱處理 工藝應(yīng)為退火處理,由表４的沖擊試驗(yàn)結(jié)果可以看 出,３ 個(gè) 試 樣 的 沖 擊 吸 收 能 量 均 不 能 滿 足 GB/T６９９－２０１５技術(shù)要求.

２ 綜合分析 

電機(jī)軸斷口平直且與軸中線垂直,斷面呈灰白 色無金屬光澤,無明顯宏觀塑性變形跡象,顯示出脆 性疲勞斷裂特征.在交變應(yīng)力作用下,整個(gè)疲勞斷 裂過程包括:微裂紋源形成、宏觀裂紋擴(kuò)展和瞬時(shí)斷 裂.疲勞裂紋在軸的過渡臺(tái)階下部機(jī)加工刀痕與材 料分層缺陷重疊部位開始起裂,而后沿著與拉伸正 應(yīng)力垂直的方向擴(kuò)展.機(jī)加工刀痕與材料分層缺陷 處于材料表面時(shí),它們與基體相交的界面往往起到 類似裂紋的作用,疲勞裂紋由此擴(kuò)展,并導(dǎo)致疲勞斷 裂.鋼的顯微組織晶粒的大小及組織中的缺陷對(duì)其 疲勞強(qiáng)度有較大影響,金屬的疲勞極限隨晶粒的增 大和缺陷的增多而降低[５].電機(jī)軸顯微組織為較粗 大的珠光體和網(wǎng)狀鐵素體,與小的晶粒組織相比,嚴(yán) 重地降低了電機(jī)軸的疲勞壽命.其次,疲勞裂紋的 擴(kuò)展速率與晶粒尺寸呈線性關(guān)系,在疲勞裂紋擴(kuò)展 前沿,網(wǎng)狀鐵素體極易形成微裂紋,加速疲勞裂紋的 擴(kuò)展,在疲勞裂紋擴(kuò)展前沿形成應(yīng)力集中,促進(jìn)裂紋 的擴(kuò)展.

４５鋼為優(yōu) 質(zhì) 碳 素 結(jié) 構(gòu) 鋼,是 軸 類 零 件 常 用 材 料,正常情況下其經(jīng)過調(diào)質(zhì)(正火)處理后,可得到較 好的切削性能,而且能獲得較高的強(qiáng)度和韌性等綜 合力學(xué)性能.斷裂電機(jī)軸材料拉伸試驗(yàn)得到的屈服 強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)要求下限值,沖擊試驗(yàn) 結(jié)果顯示其沖擊吸收能量也遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限 值,均不能滿足 GB/T６９９－２０１５中對(duì)４５鋼的相關(guān) 規(guī)定要求.說明該電機(jī)軸材料未經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,使軸 體所能承受的循環(huán)應(yīng)力下降,無法滿足使用要求[６].

電機(jī)軸試樣的顯微組織為鐵素體＋珠光體,晶 粒不均勻,珠光體晶粒較粗大,說明電機(jī)軸材料未經(jīng) 過調(diào)質(zhì)處理,正常調(diào)質(zhì)處理的顯微組織應(yīng)為回火索 氏體[７].

修復(fù)前電機(jī)軸曾發(fā)生過沿鍵槽一側(cè)邊緣金屬崩 裂失效,是由于皮帶輪緊固力不夠,或者在運(yùn)行過程 中緊固螺母發(fā)生松動(dòng),致使電機(jī)軸鍵槽一側(cè)嚴(yán)重過 載,加上電機(jī)軸材料本身力學(xué)性能較差,在旋轉(zhuǎn)彎曲 交變應(yīng)力作用下,首先在鍵槽附近產(chǎn)生微裂紋,進(jìn)而 以疲勞方式迅速擴(kuò)展,其中一條裂紋發(fā)展較快,成為 主裂紋面,附近其他疲勞源裂紋在擴(kuò)展過程中與主 裂紋面相交,形成掉塊,這一側(cè)的其他部位金屬仍有 擠壓開裂跡象.而此后的電機(jī)軸徑向斷裂,在皮帶輪緊固螺母緊固力足夠的情況下,未發(fā)現(xiàn)鍵槽邊緣 金屬崩裂和宏觀變形跡象,表明修復(fù)前在旋轉(zhuǎn)彎曲 交變應(yīng)力作用下,鍵槽邊緣金屬崩裂的同時(shí),在軸的 過渡臺(tái)階底部疲勞源微裂紋也已經(jīng)開始擴(kuò)展.

３ 結(jié)論 

(１)該電機(jī)軸斷裂屬于脆性疲勞斷裂. 

(２)該電機(jī)軸組織存在疏松性孔洞、沿晶微裂 紋缺陷及未進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,使材料的強(qiáng)韌性和抗疲 勞性能不足.電機(jī)軸材料抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和沖 擊吸收能量均不能滿足 GB/T６９９－２０１５ 技術(shù)要 求,材料力學(xué)性能不足是電機(jī)軸發(fā)生斷裂的內(nèi)在因 素.電機(jī)軸臺(tái)階下部機(jī)加工刀痕導(dǎo)致應(yīng)力集中,產(chǎn) 生多源疲勞,是該電機(jī)軸發(fā)生斷裂的外在因素.

４ 建議 

(１)電機(jī)軸生產(chǎn)廠家應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 完善電機(jī)軸的熱處理工藝,嚴(yán)格控制調(diào)質(zhì)處理工藝, 防止造成材料力學(xué)性能下降. 

(２)選擇質(zhì)量過硬的生產(chǎn)廠家購買備品備件, 保證加工工藝.生產(chǎn)過程中應(yīng)有效去除電機(jī)軸鍛件 中的分 層、夾 雜 等 制 造 缺 陷,增 強(qiáng) 材 料 的 抗 疲 勞 性能. 

(３)在零部件失效的早期使用單位應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備 狀態(tài)檢測(cè),及時(shí)發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象和故障特征,避免失效 事故的發(fā)生和擴(kuò)大.

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文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)