Промышленные электродвигатели развиваются в направлении повышения удельной мощности, увеличения частоты вращения и усиления экологической устойчивости, что подвергает винты магнитных полюсов ротора, используемые для крепления постоянных магнитов в синхронных двигателях, чрезвычайно высоким механическим нагрузкам. Для обеспечения стабильности работы двигателя и его электромагнитных характеристик при высокоскоростном режиме эксплуатации эти винты должны обладать одновременно исключительно высокой износостойкостью и усталостной прочностью. Традиционные технологии нарезки резьбы делятся главным образом на две категории: механическая резка и роликовая формовка. Хотя резка обеспечивает значительное преимущество в точности размеров, её производительность при изготовлении тонкостенных валовых резьб относительно низка. Напротив, процесс холодного прокатывания, характеризующийся высокой производственной эффективностью и упрочнённой градиентной микроструктурой, позволяет существенно повысить поверхностную твёрдость и прочность резьбы, тем самым удовлетворяя строгие требования к эксплуатационным характеристикам крепёжных элементов в сложных условиях работы.

Однако в практических приложениях неоднородная структура деформации, возникающая при холодной прокатке, также создает серьёзные трудности. Корень резьбы крайне чувствителен к концентрации напряжений при нагрузке, а упрочнённая прокаткой микроструктура обладает относительно ограниченной способностью воспринимать значительные пластические деформации под действием сложных нагрузок, что повышает риск хрупкого разрушения. В современных промышленных исследованиях по‑прежнему отсутствует чёткое объяснение того, как именно состояние формирующихся напряжений влияет на эволюцию микроструктуры в корне и вершине резьбы, а точная взаимосвязь между локальными микроструктурными особенностями и путями распространения трещин ещё предстоит глубоко изучить. Вследствие этой неопределённости в градиентной структуре, обусловленной различиями в состоянии напряжений, вопрос о том, как одновременно поддерживать высокую твёрдость поверхности и обеспечивать достаточную вязкость сердцевины для замедления распространения трещин, остаётся ключевой задачей, требующей решения в рамках современного проектирования материалов и оптимизации технологических процессов.

Для решения указанных выше задач исследовательская группа, в состав которой вошли сотрудники Цзянсуского университета науки и технологий, Северо‑восточного университета и других учреждений, провела систематические исследования с использованием настольного сканирующего электронного микроскопа серии ZEM компании ZEPTOOLS. Создав градиентную структуру в магнитных полюсных винтах методом холодной прокатки, исследовательская группа впервые установила закономерности изменения глубины закалённого слоя у корня и вершины резьбы, обусловленные различиями в формирующих напряжениях, а также выявила микроскопические механизмы влияния плотности дислокаций и границ фаз на три типичных пути распространения трещин.

Название: Микроструктурные характеристики и поведение при разрушении винта магнитного полюса ротора промышленного синхронного двигателя
Журнал: Покрытия
URL: doi.org/10.3390/coatings

Исследовательская группа систематически изучила механизм влияния процесса холодной прокатки на градиентную пластическую деформацию винтов магнитных полюсов. Сравнительные эксперименты показали, что холодная прокатка вызывает интенсивное наклёпывание в поверхностном слое резьбы, в результате чего феррит и перлит у поверхности подвергаются значительному растяжению в направлении технологических напряжений, формируя чётко выраженную волокнистую структуру. Степень этой деформации постепенно ослабевает с увеличением глубины, тогда как сердцевина винта полностью сохраняет ленточную микроструктуру, характерную для исходного состояния холодной вытяжки. Такая градиентная эволюция микроструктуры от поверхности к сердцевине закладывает микроструктурную основу для достижения сочетания высокой поверхностной прочности и высокой пластичности сердцевины винта.

В процессе изучения влияния микроструктуры на механические свойства крайне важны высокоразрешающие методы характеризации. Исследователи использовали настольный сканирующий электронный микроскоп ZEM20 компании ZEPTOOLS для точного наблюдения морфологии деформации в различных зонах резьбы и особенностей разрушения после поломки. Настольный СЭМ ZEM20 наглядно выявил тонкие морфологические изменения феррита и перлита в сильно деформированных участках, что позволило установить наличие зоны сверхвысокой твёрдости под поверхностью у корня резьбы, обусловленной локальной деформацией при вдавливании. Эти надёжные экспериментальные данные подтверждают теорию о том, что состояние формирующего напряжения определяет глубину закалённого слоя, демонстрируя профессиональную значимость применения сканирующей электронной микроскопии в анализе разрушений крепёжных изделий и в научных исследованиях и разработках материалов.

Рассматривая вопросы надёжности при эксплуатации синхронных двигателей, в данной работе на основе крепёжных испытаний проанализирован процесс развития трещин в винтах при условиях перегрузки крутящим моментом. Вследствие сильной концентрации напряжений у корня резьбы, обусловленной процессом холодной прокатки, и ограниченной способности работы‑закалённой структуры воспринимать значительные пластические деформации микротрещины преимущественно зарождаются именно в этой зоне. На последующей стадии распространения траектория трещины явно зависит от микроструктуры: её направление существенно определяется типом местной фазы, размером зерна и внутренним состоянием структуры. По сравнению с сильно деформированным участком трещина демонстрирует более выраженную отклонение своего пути при приближении к недеформированной матрице, при этом рассеивает большее количество энергии деформации за счёт увеличения извилистости трещинного пути.

Путём глубокого анализа пути распространения трещин в исследовании чётко выделены три основных режима их распространения в ферритно‑перлитной микроструктуре. Первый — трансгранулярное распространение трещины через феррит, обусловленное преимущественно более низкой твёрдостью и повышенной пластичностью феррита, что делает его более подверженным пластической деформации. Второй — распространение вдоль границ раздела между ферритом и перлитом, возникающее вследствие различий в кристаллической структуре и согласованной деформации этих двух фаз. Третий — распространение через слоистый перлит; при этом трещины, как правило, развиваются вдоль межслоевых границ между ферритом и цементитом, причём могут даже вызывать прямое разрушение цементитовых ламелей. Полученные результаты представляют собой важную теоретическую основу для оптимизации состава материала и совершенствования процесса прокатки с целью повышения трещиностойкости винтов.

Сканирующий электронный микроскоп серии ZEM компании ZEPTOOLS — это высокоинтегрированный, портативный и экономичный научно‑исследовательский прибор. Он обладает быстрым откачиванием, высокой скоростью получения изображений и широким выбором детекторов сигналов, что делает его подходящим для морфологического наблюдения и составного анализа, а также позволяет адаптироваться к различным экспериментальным условиям in situ. Прибор предъявляет низкие требования к условиям установки, не чувствителен к перепадам уровня пола и прост в эксплуатации, что позволяет быстро освоить его даже неспециалистам. Он может широко применяться в таких областях, как разработка новых материалов, биологические науки, анализ отказов, промышленная контрольная проверка и др., предоставляя исследовательским учреждениям и промышленным пользователям мощное и экономичное решение для высокопроизводительной микроскопической характеристики образцов.