理化分析在注塑機溶膠電機轉軸斷裂失效分析中的應用

王瀚毅

（廣東產品質量監督檢驗研究院，廣東佛山 528300）

0 前言

電動機是把電能轉換成機械能的設備[1]。在機械、冶金、石油、煤炭、化學、航空、交通、農業以及其他各種工業中，電動機被廣泛地應用著。隨著工業自動化程度不斷提高，需要采用各種各樣的控制電機作為自動化系統的元件，人造衛星的自動控制系統中，電機也是不可缺少的[2]。此外在國防、文教、醫療及日常生活中(現代化的家電工業中)電動機得到廣泛地應用。多以齒輪傳動、蝸桿傳動為主，而軸是電動機中不可缺少的重要零件之一，也是最常見的失效零件。失效是指機械產品喪失了其應有功能的現象[3]。失效分析是一門發展中的新興學科，它一般根據失效模式和現象，通過分析和驗證，模擬重現失效的現象，找出失效的原因，挖掘出失效的機理的活動[4]。某注塑機生產企業的一臺注塑機在試運行過程中發生了異常情況，經檢查發現其溶膠電機轉軸出現斷裂。為找到斷裂的原因，防止類似事故再次發生，減少經濟損失，本文作者對斷軸進行失效分析。

圖1 實際斷裂情況圖示(箭頭所示)

1 樣品情況及及斷口宏觀分析

該電機轉軸，根據企業提供的信息：樣品制造材料為20CrMnTi（統一數字代號A26202），最終熱處理狀態未知，樣品且使用頻率較高，且應力加載方式為周期性剪切力為主。

檢測樣品的斷口宏觀形貌如圖1所示：斷口整體較為平整。宏觀斷面分為明顯的4個區域，如圖2所示：1號區域為光滑區，斷口凹陷狀加平整狀，可見多條“沙灘條紋”的特征線[5]，約占斷口1/5；2號區域過渡區，斷口平整，呈瓷狀特征，約占3/5；3號區域位于邊緣，呈撕裂狀，有塑性變形的特征；4號區域呈臺階狀，有塑性變形痕跡。進一步觀察表明，1號區域的沙灘條紋是典型的宏觀疲勞斷口特征是疲勞源區，2號區域是疲勞裂紋擴展區，4號區域是最終破斷區。

圖2 宏觀斷面形貌

2 樣品化學成分分析及硬度檢測

2.1 化學成分

采用直讀光譜儀對樣品的化學成分進行檢測，結果如表1所示。通過與GB/T 3077-2015《合金結構鋼》中的20CrMnTi（統一數字代號A26202）的標準化學成分對比，發現其符合要求，沒出現錯料現象。

表1 電機轉軸的的化學成分（質量分數）

2.2 硬度檢測

測試樣品的硬度指標可間接反應熱處理工藝是否符合要求。因為此次檢測委托方未能提供檢測樣品交貨設計硬度值，編號1所在點為中心點隨后的點逐漸測試直至最外緣，所測硬度為標尺為HBW2.5/187.5。檢測樣品硬度結果如表2所示。

表2 檢測樣品硬度結果

3 樣品顯微組織檢測

3.1 非金屬夾雜物形貌

夾雜物樣品取自圖3所示的1部位，因為該部位為斷裂開始部位，該部位含夾雜物的可能性較高。通過制樣分析后觀察結果表明：在1處的橫縱面均未發現有大尺寸及大量分布的夾雜物。其夾雜物具體圖像如圖4、5所示。

圖3 金相組織及夾雜物試樣取樣位置

圖4 標號1部位橫向夾雜物 （100×）

圖5 標號1號部位縱向夾雜物 （100×）

3.2 顯微組織形貌[6]

顯微組織樣品取樣部位為圖3中的1部位，金相觀察為橫向、縱向的金相組織均為回火索氏體，符合調質熱處理工藝特征。在橫縱方向上也未見明顯的熱處理缺陷其具體形貌如圖6、7所示。

4 結果分析[7-8]

（1）經化學成分分析，樣品材料符合GB/T 3077-2015《合金結構鋼》中20CrMnTi的成分特征。

圖6 標號1部位樣品縱向顯微組織（500×）

圖7 標號1部位樣品橫向顯微組織 （500×）

（2）樣品最終熱處理顯微組織為回火索氏體，最終熱處理推測為調質工藝。

（3）樣品整體硬度為240HBW2.5/187.5至270HBW2.5/187.5之間，因委托方未提供交貨熱處理圖紙，無法判定其熱處理最終硬度是否符合處理要求。零件表面硬度為690 HBW2.5/187.5至721HBW2.5/187.5之間，推測其表面經過氮化或鍍鉻處理。

5 結語

對樣品觀察表明，斷口形貌為明顯的疲勞斷裂源位置的特征；斷口呈現明顯的裂紋源位置、擴展區域、最終斷裂區域都較為明顯；推測該電機轉軸的失效原因為非材料原因，多為交變應力施加，應力過載所致。