分享：空壓機(jī)曲軸斷裂原因

某型號(hào)空壓機(jī)在進(jìn)行流量摸底測(cè)試期間，空載狀態(tài)下運(yùn)行約1 h后突然出現(xiàn)異響，停機(jī)檢查后仍能盤車轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)拆解檢查發(fā)現(xiàn)其曲軸曲拐(靠近皮帶輪端)斷裂。對(duì)斷軸后的空壓機(jī)進(jìn)行拆機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)活塞、活塞環(huán)、連桿、軸瓦、連桿螺釘?shù)染鶝]有明顯受損痕跡。斷裂曲軸外觀如圖1所示。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)曲軸斷裂的原因進(jìn)行分析，以避免該類問(wèn)題再次發(fā)生。 

圖  1  斷裂曲軸外觀

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

對(duì)斷裂曲軸進(jìn)行宏觀觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：斷裂位置為曲柄和連桿軸頸的過(guò)渡R處；斷口裂紋源區(qū)呈臺(tái)階狀，該裂紋源區(qū)對(duì)應(yīng)圖紙的R4位置（R角半徑為4 mm的圓角或圓弧處），裂紋擴(kuò)展區(qū)可見貝殼紋，該曲軸斷口呈典型的疲勞斷裂特征。 

圖  2  斷裂曲軸的宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

在斷裂曲軸上取樣，對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂曲軸的化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)42CrMo鋼的要求。 

1.3   力學(xué)性能測(cè)試

在斷裂的曲軸1/3 R處取樣，對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，在斷裂曲軸不同部位取硬度試樣，取樣位置如圖3所示，對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試。斷裂曲軸的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。由表2可知：曲軸的抗拉強(qiáng)度低于圖紙的技術(shù)要求；位置1和斷裂R處的硬度低于調(diào)質(zhì)的技術(shù)要求。 

圖  3  硬度試樣取樣位置示意

1.4   掃描電鏡（SEM）分析

將斷口進(jìn)行清洗后，在斷口處截取試樣，將試樣置于掃描電子顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：斷口裂紋源區(qū)呈臺(tái)階狀；裂紋擴(kuò)展區(qū)可見大致平行的二次裂紋及疲勞輝紋；最后斷裂區(qū)呈韌窩特征，斷口形貌符合疲勞斷裂的微觀形貌特征，裂紋源區(qū)R處存在明顯的機(jī)械加工車刀紋。 

圖  4  曲軸斷口處SEM形貌

1.5   金相檢驗(yàn)

截取斷裂部位裂紋源處的剖面試樣，將試樣鑲嵌、磨拋處理后，置于光學(xué)顯微鏡下觀察，并測(cè)量其R角的半徑，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：圖紙上R4位置的R角半徑實(shí)測(cè)值為2.25 mm，圖紙R3（R角半徑為3 mm的圓角或圓弧）位置的R角半徑實(shí)測(cè)值為4.18 mm，斷裂部位的過(guò)渡R角的半徑明顯小于圖紙要求。 

圖  5  斷裂R角半徑測(cè)量結(jié)果

裂紋源R處的拋光態(tài)形貌可見明顯的車刀紋（見圖6），試樣的顯微組織為回火索氏體+鐵素體（見圖7）。 

圖  6  裂紋源R處拋光態(tài)形貌

圖  7  裂紋源R處顯微組織形貌

2.   綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：送檢斷裂曲軸的斷裂部位為曲柄與連桿軸頸的過(guò)渡R處，斷口呈疲勞斷裂特征，曲軸的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。斷裂曲軸的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，其抗拉強(qiáng)度低于圖紙要求，斷裂R處的硬度低于調(diào)質(zhì)的技術(shù)要求。斷裂R處的顯微組織為回火索氏體+鐵素體，說(shuō)明該曲軸經(jīng)過(guò)了調(diào)質(zhì)熱處理，但R處顯微組織中鐵素體較為明顯，說(shuō)明其調(diào)質(zhì)熱處理不充分。實(shí)際斷裂R處尺寸明顯小于圖紙要求。斷裂R處存在明顯的機(jī)械加工車刀紋。 

斷裂曲軸曲柄與連桿軸頸的過(guò)渡R處硬度偏低，導(dǎo)致該部位實(shí)際的疲勞強(qiáng)度降低，R角半徑偏小，且存在明顯的機(jī)械加工車刀紋，增大了該部位的應(yīng)力集中程度[1]。在曲軸運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)力集中處萌生了疲勞裂紋，在交變載荷的作用下，裂紋疲勞擴(kuò)展，最終導(dǎo)致曲軸斷裂[2]。 

對(duì)整個(gè)曲軸的加工制造過(guò)程進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)該曲軸熱處理后的力學(xué)性能測(cè)試試樣選取存在問(wèn)題，實(shí)際操作是從曲軸1/3 R處下料切成小試棒，然后隨爐熱處理后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，因此在檢驗(yàn)時(shí)，曲軸的力學(xué)性能指標(biāo)均符合圖紙要求。然而，正常的調(diào)質(zhì)熱處理取樣應(yīng)該是留足延伸段，待整個(gè)工件熱處理后，在延伸段的1/3R處取樣。實(shí)際操作過(guò)程中，先切取小試棒的做法未考慮大工件的淬透性問(wèn)題，因而導(dǎo)致檢驗(yàn)過(guò)程中未查出曲軸的力學(xué)性能問(wèn)題，從而未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)曲軸的熱處理不充分問(wèn)題。 

3.   結(jié)論及建議

該曲軸的熱處理檢驗(yàn)試樣選取不當(dāng)，導(dǎo)致曲軸的力學(xué)性能不滿足圖紙要求。斷裂曲軸R處的硬度偏低、半徑偏小，且存在機(jī)械加工車刀紋，導(dǎo)致R處的疲勞強(qiáng)度偏低，產(chǎn)生了應(yīng)力集中，萌生了疲勞裂紋，在交變載荷的作用下，曲軸發(fā)生疲勞斷裂。 

建議明確熱處理檢驗(yàn)取樣要求，留足延伸段，待整體熱處理完后取樣檢驗(yàn)。提高曲軸R處機(jī)械加工質(zhì)量，避免產(chǎn)生明顯的車刀紋。

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