理化分析在注塑机溶胶电机转轴断裂失效分析中的应用

王瀚毅

（广东产品质量监督检验研究院，广东佛山 528300）

0 前言

电动机是把电能转换成机械能的设备[1]。在机械、冶金、石油、煤炭、化学、航空、交通、农业以及其他各种工业中，电动机被广泛地应用着。随着工业自动化程度不断提高，需要采用各种各样的控制电机作为自动化系统的元件，人造卫星的自动控制系统中，电机也是不可缺少的[2]。此外在国防、文教、医疗及日常生活中(现代化的家电工业中)电动机得到广泛地应用。多以齿轮传动、蜗杆传动为主，而轴是电动机中不可缺少的重要零件之一，也是最常见的失效零件。失效是指机械产品丧失了其应有功能的现象[3]。失效分析是一门发展中的新兴学科，它一般根据失效模式和现象，通过分析和验证，模拟重现失效的现象，找出失效的原因，挖掘出失效的机理的活动[4]。某注塑机生产企业的一台注塑机在试运行过程中发生了异常情况，经检查发现其溶胶电机转轴出现断裂。为找到断裂的原因，防止类似事故再次发生，减少经济损失，本文作者对断轴进行失效分析。

图1 实际断裂情况图示(箭头所示)

1 样品情况及及断口宏观分析

该电机转轴，根据企业提供的信息：样品制造材料为20CrMnTi（统一数字代号A26202），最终热处理状态未知，样品且使用频率较高，且应力加载方式为周期性剪切力为主。

检测样品的断口宏观形貌如图1所示：断口整体较为平整。宏观断面分为明显的4个区域，如图2所示：1号区域为光滑区，断口凹陷状加平整状，可见多条“沙滩条纹”的特征线[5]，约占断口1/5；2号区域过渡区，断口平整，呈瓷状特征，约占3/5；3号区域位于边缘，呈撕裂状，有塑性变形的特征；4号区域呈台阶状，有塑性变形痕迹。进一步观察表明，1号区域的沙滩条纹是典型的宏观疲劳断口特征是疲劳源区，2号区域是疲劳裂纹扩展区，4号区域是最终破断区。

图2 宏观断面形貌

2 样品化学成分分析及硬度检测

2.1 化学成分

采用直读光谱仪对样品的化学成分进行检测，结果如表1所示。通过与GB/T 3077-2015《合金结构钢》中的20CrMnTi（统一数字代号A26202）的标准化学成分对比，发现其符合要求，没出现错料现象。

表1 电机转轴的的化学成分（质量分数）

2.2 硬度检测

测试样品的硬度指标可间接反应热处理工艺是否符合要求。因为此次检测委托方未能提供检测样品交货设计硬度值，编号1所在点为中心点随后的点逐渐测试直至最外缘，所测硬度为标尺为HBW2.5/187.5。检测样品硬度结果如表2所示。

表2 检测样品硬度结果

3 样品显微组织检测

3.1 非金属夹杂物形貌

夹杂物样品取自图3所示的1部位，因为该部位为断裂开始部位，该部位含夹杂物的可能性较高。通过制样分析后观察结果表明：在1处的横纵面均未发现有大尺寸及大量分布的夹杂物。其夹杂物具体图像如图4、5所示。

图3 金相组织及夹杂物试样取样位置

图4 标号1部位横向夹杂物 （100×）

图5 标号1号部位纵向夹杂物 （100×）

3.2 显微组织形貌[6]

显微组织样品取样部位为图3中的1部位，金相观察为横向、纵向的金相组织均为回火索氏体，符合调质热处理工艺特征。在横纵方向上也未见明显的热处理缺陷其具体形貌如图6、7所示。

4 结果分析[7-8]

（1）经化学成分分析，样品材料符合GB/T 3077-2015《合金结构钢》中20CrMnTi的成分特征。

图6 标号1部位样品纵向显微组织（500×）

图7 标号1部位样品横向显微组织 （500×）

（2）样品最终热处理显微组织为回火索氏体，最终热处理推测为调质工艺。

（3）样品整体硬度为240HBW2.5/187.5至270HBW2.5/187.5之间，因委托方未提供交货热处理图纸，无法判定其热处理最终硬度是否符合处理要求。零件表面硬度为690 HBW2.5/187.5至721HBW2.5/187.5之间，推测其表面经过氮化或镀铬处理。

5 结语

对样品观察表明，断口形貌为明显的疲劳断裂源位置的特征；断口呈现明显的裂纹源位置、扩展区域、最终断裂区域都较为明显；推测该电机转轴的失效原因为非材料原因，多为交变应力施加，应力过载所致。