案例分享：电动机轴疲劳断裂分析
电动机轴的主要作用是支承电动机转子旋转，传递转矩，其性能直接影响到电动机的使用寿命。空调系统中因电动机轴断裂导致电动机传动失效，造成出风系统异常，严重影响客户使用效果，破坏品牌形象。因此，必须对电动机轴断裂性质和原因进行分析，提前采取改善措施。该款电动机轴是使用45热轧钢，原材料是正火状态，其强度、刚度、韧性能满足一般电动机轴的使用需求。实验室在对电动机进行1.2倍额定负载试验时，发现其中一台电动机轴在退刀槽位置断裂。为了寻找断裂原因，本文通过对轴承力学强度校核以及化学成分、材料硬度、金相组织检测等，并结合对失效电动机轴断口的宏观和微观分析，最终确定断裂失效的主要原因。标准电动机的使用是根据轴承使用寿命进行选型，在设计阶段已进行强度校核。当出现过载的情况时，电动机轴端受到的力远超过该电动机允许的最大负载力，则会发生断裂。根据试验情况，此次断裂轴承的实际负载为额定负载的1.2倍，而0.75kW的电动机设计允许负载为额定负载的2.3倍。同时核实各退刀槽倒角、槽宽及槽深均符合JB/ZQ4238—2006的要求。故本文认为电动机轴断裂非设计选型不足导致的过载断裂。故障件材料化学成分分析如表1所示，符合45钢化学成分标准要求。
表1 故障件材料化学成分（质量分数） （%）
45钢正火状态的硬度一般≤229HBW。取失效件和正常件退刀槽位置同一圆周测试6个硬度值。由测试数据表2可知，断裂电动机轴最小硬度值179.1HV，最大硬度值199.6HV，相对未断裂电动机轴，其硬度不均匀。
表2 失效件及正常使用电动机轴硬度测试值 （HV）
电动机轴断裂在退刀槽位置，如图1、图2所示。退刀槽位置未发现有机加工裂纹。使用30倍放大镜观察断面，可见颜色明暗层次不同的区域，断口边沿位置有较多放射棱线，整个区域比较光亮、平滑，属于多个疲劳源区；中间偏右发白比较粗糙位置为瞬断区；源区和瞬断区之间为裂纹扩展区，且能看到疲劳台阶；属于典型的多源疲劳断口。
图1 电动机轴断裂位置
图2 坏件宏观断口图
裂纹源位于断面边沿，在扫描电镜下可以看到清晰的摩擦痕迹以及河流样的类解理、沿晶混合形貌，如图3、图4所示。
图3 失效件断面边沿类解理、沿晶混合形貌
图4 失效件断面边沿摩擦痕
裂纹扩展区域是河流样的类解理形貌，高倍下能看到疲劳条带和二次裂纹，如图5、图6所示。
图5 扩展区类解理形貌
图6 扩展区二次裂纹
瞬断区是韧窝和准解理混合形貌。高倍下能看到明显的韧窝。失效件属于多源疲劳断裂，如图7、图8所示。
图7 瞬断区韧窝和准解理混合形貌
图8 瞬断区韧窝形貌
选取失效件的横向及纵向截面作为检验面，镶样经粗磨、细磨、抛光后，使用4%硝酸酒精腐蚀后观察其金相组织。横向组织为状态不均匀的珠光体和网状铁素体组成，珠光体较多，属于中碳钢正火态的室温组织，如图9、图10所示。
图9 断面中间位置横向组织（100×）
图10 断面边沿位置横向组织（100×）
失效件纵向组织如图11、图12所示。铁素体和珠光体呈平行交替的带状组织。原材料钢经过锻压热轧后铁素体和珠光体一般会沿着变形方向分布。根据国标GB/T13299—1991《钢的显微组织游离渗碳体、带状组织及魏氏组织评定方法》，失效件的带状组织属于C系列5级（见图13），即变形铁素体晶粒为主构成贯穿视场的铁素体-珠光体不均匀的交替带。
图11 断面中间位置纵向组织（100×）
图12 断面电动机轴边沿位置纵向组织（100×）
图13 C系利带状组织评级图（5级）
未断电动机轴横向组织为状态均匀的珠光体和网状铁素体组成，视场中铁素体较多，无马氏体、回火索氏体等组织，属中碳钢正火态组织，如图14、图15所示。其纵向组织铁素体聚集，沿变形方向取向，带状组织并不明显，如图16、图17所示；按照国标GB/T13299—1991处于C系列1级（见图18）。
图14 电动机轴中心位置横向组织（100×）
图15 电动机轴外边沿横向组织（100×）
图16 电动机轴中心位置纵向组织（100×）
图17 电动机轴外边沿位置纵向组织（100×）
图18 C系利带状组织评级图（1级）
失效件与正常使用电动机轴的室温组织对比如表3所示。原材料热锻时温度在铁素体和奥氏体两相区，铁素体沿金属流动方向直接从奥氏体中成带状析出，而未分解的奥氏体也被分割成带状，转化为带状珠光体。故障件的带状珠光体比较多。此类偏析可以通过正火处理完全消除。失效件室温组织评级更高，带状组织更明显，属正火处理不完全导致组织异常。
表3 失效件与正常使用电动机轴的室温组织对比
带状组织的出现会导致材料力学性能呈现方向性，顺着带状方向的强度、塑性、韧性较高，垂直带状方向的强度、塑性、韧性下降，同时使工件硬度不均匀。综上所述，电动机轴断裂失效的形式是多源疲劳断裂。排除设计强度不足、材料成分影响及机加工裂纹。失效件由于正火处理没完全消除带状组织，组织达到国标GB/T13299—1991《钢的显微组织游离渗碳体、带状组织及魏氏组织评定方法》C系列5级，导致硬度不均匀，力学性能下降，长时间荷载运转下出现疲劳断裂。
作者：盘玮
单位：格力电器股份有限公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
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