(4.23)--案例3-发电机转轴断裂失效分析.pdf

第6章 金属构件失效案例分析发电机转轴断裂失效分析某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。1 背景介绍2 理化检验转轴断裂部位位于14mm的退刀槽处。具有以下特征 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。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。2.1 宏观检验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 理化检验2.2化学成分分析在转轴的14mm断口附近取样，在光谱上进行化学成分分析(质量分数)，该轴的化学成分符合GB/T699-1999标准中45号钢的技术要求。表1 转轴化学成分元素CSiMnPSGB/T699-19990.420.500.170.370.500.800.0350.035实测值0.420.190.610.0190.0212.3硬度检验技术要求调质硬度为2328HRC。在断轴附近分别进行表面和心部洛氏硬度测试，表面硬度符合要求，而心部硬度有部分值略低于标准。2 理化检验表2 硬度实测值与技术要求（HRC）技术要求心部表面技术要求心部表面23282324.5232823.524.522.5262225.224252.4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。图4金相组织5002 理化检验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，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。2 理化检验疲劳扩展区具有疲劳辉纹，瞬断区为韧窝状。疲劳扩展区微观形貌瞬断区微观形貌2 理化检验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，成为严重的应力集中区，形成多处疲劳源点。有关文献以45钢光滑试样为例进行了研究，疲劳强度-1=310MPa，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，缺口疲劳强度极限为-1N=190MPa。3 分析与讨论3 分析与讨论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。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。4 结论(1)转轴在机加工时，应加强工序控制和质量检验，避免形成刀痕和尖角等加工缺陷。(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。5 建议和整改措施谢谢大家！