发电机转轴断裂失效分析

金蔚静

(上海法雷奥汽车电器系统有限公司，上海201203)

摘　要：发电机转轴在耐久试验中发生断裂。用化学分析、金相检验、扫描电镜等方法对断裂转轴进行了分析。结果表明，由于机加工时留下的切削缺陷，使转轴形成早期疲劳，加之热处理淬火加热未达到奥氏体温度，组织中存在少量块状铁素体，降低了材料强度，最终导致转轴断裂。

关键词：发电机转轴；加工切削缺陷；显微组织；失效

1　引言

我公司生产的发电机在进行整机耐久性试验至600多小时时，转轴发生断裂。试验条件是在不同的工作时间段内，随转速在(3000～15000)r/min范围内变化，载荷同时变化。技术要求其试验寿命为2000h。图1是试验台试验装置，中心区为残留在试验机上的断轴。转轴材料为45号钢，其加工流程：落料→调质→机加工→装配。

2　理化检验

2.1　宏观检验

转轴断裂部位位于Φ14mm的退刀槽处，见图2，其断口宏观形貌见图3。它具有以下特征：①断口平坦，疲劳面积大，占断面90%以上。瞬断区面积小，被疲劳区包围，位于中心偏一侧，见图3箭头所示。②沿转轴退刀槽底部周向有许多疲劳源，并有许多细小的径向台阶。

     图1　试验台断裂后状态                          图2　断裂部位在退刀槽相交处

图3　断口宏观形貌

根据上述宏观特征基本上可判断转轴属于低载荷下，在尖缺口高应力集中条件下的旋转弯曲疲劳断裂。

2.2　化学成分分析

在转轴的Φ14mm断口附近取样，在光谱上进行化学成分分析(质量分数)，结果列于表1。由此可见，该轴的化学成分符合GB/T699-1999标准中45号钢的技术要求。

2.3　硬度检验

技术要求调质硬度为23～28HRC。在断轴附近分别进行表面和心部洛氏硬度测试，结果见表2，表面硬度符合要求，而心部硬度有部分值略低于标准。

2.4　金相检验

在转轴裂纹附近取样，按金相分析的要求进行抛光和侵蚀(4%硝酸酒精溶液)。图4表明其显微组织为回火索氏体加少量块状铁素体。

2.5　电镜分析

扫描电镜下观察，在断口裂源处沿加工槽底部周向有多处疲劳源，萌生于退刀槽底部，见图5a，图5b为图5a的局部放大，可观察到疲劳源起始于沟槽底部由于切削留下的尖角特征。疲劳扩展区具有疲劳辉纹，见图6。瞬断区为韧窝状，见图7。

图4　金相组织　500×

      (a)　断口疲劳源　25×                             (b)　断口疲劳源放大形貌

图5　断口疲劳形貌　100×

      图6　断裂疲劳扩展区疲劳辉纹特征　1200×                图7　瞬断区断口微观形貌　600×

3　分析与讨论

从发电机的试验状况看，该转轴处于旋转条件下；由断口宏观形貌分析可知，转轴属于尖缺口应力集中条件下发生的旋转弯曲疲劳断裂。通常机械零件由于使用、装配及加工制造工艺的需要，零件设计常带有台阶、拐角、键槽和退刀槽等，这些部位都不同程度的存在应力集中现象，从而较容易导致在低载荷下，即当工作应力低于材料的疲劳极限时发生早期疲劳断裂。

此发电机转轴由于机加工不当，使退刀槽底部多处存在着呈锯齿状的尖角，从图5中清楚地观察到，沿断口周边有多处疲劳源点，即切削留下的尖角将成为严重的应力集中区。有关文献以45钢(材料与失效轴相同)光滑试样为例进行了研究，材料的抗拉强度极限σb=720MPa，疲劳强度σ-1=310MPa，即σ-1≈0.4σb，若将该材料制成有深为0.3mm的周缺口，缺口前沿圆角R=0.3mm的缺口疲劳试样，则缺口的拉伸强度极限σbN=790MPa，缺口疲劳强度极限为σ-1N=190MPa，此时σ-1N=0.27σ-1N，可见由于缺口引起的应力集中，会明显降低疲劳强度。如果说圆角缺口试样疲劳强度降低，那么带有尖角的零件则更易引起失效。

此外，从金相组织来分析，由于热处理加热时没有全部达到奥氏体温度，使加热之前原始组织中的铁素体尚未充分溶解，在淬火冷却时被保留下来，其形态以块状为主。这些铁素体的存在，使转轴的强度降低，加快了转轴的失效。

4　结论

发电机转轴的早期失效，一方面因制造过程机加工不当形成刀痕、尖角，使之在交变载荷作用下，发生早期疲劳断裂；另一方面，调质热处理组织中存在的少量块状铁素体使轴的力学性能下降，也是加快转轴早期失效的另一原因。

5　建议和整改措施

(1) 转轴在机加工时，应加强工序控制，如增加检验频次等。

(2) 进行热处理工艺验证，主要考虑调质淬火温度、保温时间，以及装炉量等，以此来改善金相组织，提高转轴的力学性能。