分享：30CrMo钢电机轴断裂原因

• 王晓峰, 
 
• 于佳瑶, 
 
• 杨静, 
 
• 黄磊, 
 
• 金星

• 1.

  海洋装备用金属材料及其应用全国重点实验室，鞍山 114009

• 2.

  鞍钢集团钢铁研究院有限公司，鞍山 114009

电机轴是连接电机和设备，进行机电能量转换的枢纽，对零部件的转动、力矩的传递起着支撑作用。此外，电机轴对转动零部件与定子的相对位置起着固定作用[1]。某钢厂30CrMo钢电机轴在生产运行时发生断裂。该电机轴直径为190 mm，工作期间经过周期性修复，工作人员在轴的易磨损区进行补焊和机械打磨处理，电机运行仅10个月就在运转过程中发生断裂，断裂部位为修磨区域。笔者采用一系列理化检验方法分析了电机轴断裂的原因，以避免该类问题再次发生。

1.   理化检验

1.1   宏观观察

断裂轴及其断面宏观形貌如图1所示。由图1可知：电机轴断裂位置为轴与电机连接的台阶处；断面整体较为齐平，断裂源位于轴的近表面处，附近靠近边部侧有不规则的变形区，在断面上形成了大面积呈圆弧状分布的疲劳贝壳纹线，断口形貌具有疲劳断裂特征[2-3]。

图  1  断裂轴及其断面宏观形貌

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1.2   化学成分分析

在断裂轴上取样，对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂轴的化学成分符合GB/T 3077—2015《合金结构钢》对30CrMo钢的要求。

Table  1.  断裂轴的化学成分分析结果

项目	质量分数
	C	Si	Mn	Cr	Mo
实测值	0.26	0.20	0.54	0.82	0.16
标准值	0.26~0.33	0.17~0.37	0.40~0.70	0.80~1.10	0.15~0.25

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1.3   力学性能测试

在断裂轴心部沿纵向切取拉伸试样、U型冲击试样，在断裂轴的横截面上取硬度测试试样。断裂轴的力学性能测试结果如表2所示。由表2可知：断裂轴的抗拉强度、屈服强度、冲击吸收能量均低于标准要求。

Table  2.  断裂轴的力学性能测试结果

项目	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	断后伸长率/%	断面收缩率/%	冲击吸收能量/J	硬度/HBW
实测值	539	726	23.0	59	48.5	230
标准值	735	930	12.0	50	71.0	229

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1.4   低倍检验

用温度为80 ℃、体积比为1∶1的盐酸水溶液对轴断口处截面进行腐蚀，然后对其进行低倍检验，结果如图2所示。由图2可知：断口表面存在高温热影响区组织层，在断裂源附近存在细小的孔洞缺陷，而断裂轴中心组织没有明显的偏析或疏松等缺陷。

图  2  断裂轴截面低倍检验结果

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1.5   金相检验

在断裂轴上取金相试样，利用光学显微镜对试样进行观察，结果如图3所示。由图3可知：试样表层均有高温热影响区，最深处约为5.9 mm，其中断裂源处边部可观察到多个孔洞缺陷，最大直径约为0.22 mm，孔洞主要分布在表面热影响区组织内，表明轴表面的焊接组织层存在缺陷；断裂轴由表面到心部的显微组织依次为贝氏体、马氏体+索氏体+屈氏体+少量贝氏体、索氏体+屈氏体、索氏体+屈氏体+马氏体+少量贝氏体、贝氏体+索氏体；轴表面组织不均匀，局部形成了网状屈氏体，具有较高的硬脆性，材料在受到应力时易产生微裂纹；在断裂源处表面观察到裂纹，其附近位置组织有深度约为0.02 mm的呈白亮色形变硬化层，表明该处局部受到了较大的应力作用，导致组织产生了非均匀变形；轴心部基体的显微组织为贝氏体+铁素体+珠光体，组织较为粗大，说明电机轴未经过调质处理，没有形成强韧性较好的回火索氏体等组织，导致轴的力学性能较差。

图  3  断裂轴的微观形貌

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2.   综合分析

由上述理化检验结果可知，电机轴断裂源位于近表面处，扩展区面积相对较大，扩展区可见呈贝壳状分布的条纹线，表明电机轴断裂性质为低应力高周疲劳断裂。电机轴断裂的主要原因是轴表面存在缺陷，在应力作用下，缺陷处萌生裂纹，裂纹不断扩展，最终导致电机轴发生断裂现象[4-5]。

电机轴在经过焊接高温修复处理后，在表面焊接区域内，局部位置补缩不足导致材料形成了细小孔洞及裂纹缺陷，缺陷处易形为裂纹源。同时，轴表层形成了明显的高温热影响区，表层基体形成了与轴心部显微组织不同的贝氏体、马氏体、索氏体、屈氏体等多种组织。而表层热影响区组织与基体组织具有明显不同的塑性和强度，在电机轴运转受力时，不同组织的塑性变形程度不同，晶界间形成不同程度的变形并产生较大的内应力，最终导致晶界破裂，并形成微裂纹[6-7]。当轴表面受到较大的应力时，材料会形成局部硬化层，导致材料的韧性降低并形成微裂纹。电机轴在工作时持续受到应力的作用，缺陷位置形成较大的应力集中并萌生微裂纹，裂纹不断扩展，最终导致电机轴断裂。电机轴在制造时需经调质处理，以得到回火索氏体，并增大材料的强度和韧性。该电机轴心部存在粗大组织和非调质组织，表明该电机轴未按规定进行调质处理，导致轴基体的力学性能降低，促进了裂纹的扩展。

3.   结论与建议

电机轴表层有明显的高温热影响区，表面焊接层内存在孔洞及裂纹缺陷，局部形成了硬脆组织，在工作过程中，电机轴持续受到应力的作用，导致缺陷处萌生了微裂纹；焊接层附近基体组织不均匀，降低了材料的力学性能，进一步促进了裂纹的扩展，最终导致电机轴断裂。

建议在轴的加工和修复过程中，严格按工艺要求操作，避免形成组织缺陷，并对轴进行调质处理，以获得良好均匀的组织，提高材料的力学性能，从而延长轴的使用寿命。