K980 A空氣壓縮機曲軸斷裂失效分析

周 棟糜 亮王 瑀杜春海丁 毅

（1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院揚州分院 揚州 225000）

（2.南京工業大學 南京 210009）

K980 A空氣壓縮機曲軸斷裂失效分析

周 棟1糜 亮1王 瑀1杜春海1丁 毅2

（1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院揚州分院 揚州 225000）

（2.南京工業大學 南京 210009）

針對K980A空氣壓縮機在服役時發生曲軸斷裂進行了失效分析。在宏觀斷口分析的基礎上，采用金相顯微組織分析、機械性能測試、表面形貌分析（SEM）以及材質分析（EDS）等方法分析了壓縮機曲軸斷裂失效的根本原因。結果表明，K980A曲軸斷裂屬于高周疲勞斷裂，曲軸外表面硬度偏低是疲勞裂紋形成的原因；鑄造缺陷以及硅、硫、磷雜質含量偏高，增加了曲軸的脆性，促進了裂紋的擴展。

失效分析 空氣壓縮機 曲軸 斷裂

空氣壓縮機是一種通過壓縮空氣來提高空氣壓力或輸送空氣的機械，是動力系統的核心部件。某廠K980A空氣壓縮機在正常服役時(1000r/min，電壓380V，累計使用8000h左右)曲軸發生斷裂，嚴重影響了公司的正常生產。曲軸是空氣壓縮機的重要組成部分，其材質為球墨鑄鐵。斷裂是曲軸的主要破壞形式之一。曲軸的斷裂與材料的微觀組織、冶金夾雜物等有直接關系[1-5]。本文通過宏觀斷口、金相組織、機械性能、SEM、EDS等方法對曲軸斷裂失效原因進行分析和檢驗，以探究斷裂失效的原因。

1 實驗方法

曲軸結構示意圖如圖1所示。斷裂位置，位于第二循環斷的中部位置。首先對斷口進行宏觀斷口分析，在宏觀斷口分析的基礎上，對曲軸各部位的進行石墨化評級、金相組織分析。用掃描電鏡觀察失效曲軸的斷口以及進行成分分析；根據GB 1348—2009加工成拉伸試樣，用萬能試驗機測定曲軸基體的靜態力學性能指標；用維氏顯微硬度計測定曲軸材料的基體硬度及軸頸表面硬度。

圖1 曲軸示意圖

2 實驗結果

2.1 曲軸外形及斷口宏觀分析

曲軸斷裂位置兩端軸徑分別為130mm、110mm。斷口宏觀照片見圖2，從圖2(a)、圖2(b)可以看出，斷裂起源于曲軸軸頸外表面，隨后沿著與軸線呈大約30度角度的斷裂面發展，并最終貫穿整個軸肩。根據斷口表面粗糙程度，可以將斷口分為光滑區（約占整個斷口面積的2/3）和粗糙區（約占整個斷口面積的1/3）兩個部分，在斷口表面光滑區清晰可見疲勞斷口所特有的貝殼狀花紋，因此可以確定該曲軸斷裂屬于疲勞斷裂。斷口表面粗糙區為最終斷裂區，簡稱瞬斷區，而光滑區又可以進一步分為疲勞裂紋源和疲勞裂紋擴展區兩個部分。整個斷口表面基本沒有塑性變形痕跡，而且在擴展區和瞬斷區斷口表面還發現有大量鑄造缺陷（氣孔）的存在，見圖2(c)。考慮到曲軸在工作過程中因旋轉彎曲運動所造成的彎曲交變應力，同時考慮到疲勞裂紋擴展區占據了斷口的主要面積，因此可以進一步判斷該曲軸斷裂屬于低應力高周疲勞斷裂。

2.2 曲軸金相顯微組織分析

曲軸的裂紋源區金相微觀組織照片見圖3。從圖3(a)未浸蝕的金相組織照片中可以清晰地看到石墨的形態，石墨形態為球狀石墨+少量團片狀石墨，球化級別4級，石墨大小4級，球化等級略不足。從圖3(b)中可以看出，疲勞裂紋源區的金相顯微組織基本由鐵素體（白色）＋少量滲碳體（黑色片狀）+球狀石墨（黑色）+團片狀石墨（黑色）組成。

圖2 (a) 宏觀照片

圖2 (b) 斷口照片

圖2 (c) 斷口鑄造缺陷宏觀照片

圖3 裂紋源區金相照片

曲軸的裂紋擴展區金相顯微組織照片見圖4。從圖4(a)未浸蝕的金相組織照片中同樣可以清晰地看到石墨的形態為球狀石墨+少量團狀石墨，球化級別3級，石墨大小為4級，球化等級中等。從圖4(b)中可以看出，疲勞裂紋擴展區的金相顯微組織基本由鐵素體（白色）＋少量滲碳體（黑色片狀）+球狀石墨（黑色）+團片狀石墨（黑色）組成。

圖4 裂紋擴展區金相照片和裂紋擴展區金相照片

曲軸的瞬斷區金相顯微組織照片見圖5。從圖5(a)未浸蝕的金相組織照片中同樣可以清晰地看到石墨的形態為球狀石墨+少量團狀石墨，球化級別4級，石墨大小為4級，球化等級略不足。從圖4(b)可以看出，疲勞裂紋瞬斷區的金相顯微組織基本由鐵素體（白色）+大量滲碳體（黑色片狀）+球狀石墨（黑色）+團片狀石墨（黑色）組成。瞬斷區中大量未石墨化片狀滲碳體的存在，表明該區石墨化處理（或者孕育處理）工藝質量存在問題。從金相組織照片可以看出曲軸外表面附近（疲勞源區和瞬斷區）的石墨球化不良，石墨顆粒也比較大，外表面（裂紋源區和瞬斷區）組織相對較差，這就給裂紋源在曲軸外表面的形成提供了組織條件。

圖5 瞬斷區金相照片和瞬斷區金相照片

2.3 顯微硬度測試

曲軸金相組織鐵素體基體顯微硬度數據見表1，從表1中顯微維氏硬度數據可以看出，曲軸外表面（疲勞區和瞬斷區）顯微硬度相差不大分別為158HV0.2和163HV0.2，曲軸中部硬度最高（約226HV0.2），曲軸表面硬度偏低。由于曲軸受到彎曲應力，表面拉應力最大，同時曲軸外表面金相組織較差，硬度偏低，而軸肩臺階處又存在應力集中，因此直接導致了疲勞裂紋源的形成，并最終使曲軸發生疲勞斷裂。

表1 顯微維氏硬度數據表（HV0.2）

3 曲軸材料力學性能測試

曲軸材料的力學性能測試結果見表2，并和鐵素體球墨鑄鐵的力學性能進行對比。從表2中可以看出，曲軸的抗拉強度、伸長率符合鐵素體球墨鑄鐵的標準性能指標要求，由于取樣位置的限制，拉伸試樣斷裂部位對應于曲軸中部，而曲軸中部硬度較高，因此抗拉強度滿足標準性能要求是可以理解的，但是不能代表曲軸表面的抗拉強度同樣滿足標準要求，根據表1的硬度測試，曲軸近表面硬度低于曲軸中部硬度，可以推斷曲軸表面材料的抗拉強度應該低于曲軸中部的抗拉強度值。

表2 曲軸材料力學性能數據表

4 曲軸微觀斷口形貌SEM分析和成分分析

曲軸拉伸試驗斷口表面的掃描電鏡微觀形貌照片見圖6，由于受到石墨粉末的污染以及可能的氧化腐蝕，斷口形貌不夠清晰，但是仍然可以看出曲軸拉伸試驗斷口為準解理斷口，具有一定的脆性，但是在解理臺階周圍同時發現有大量韌性撕裂棱存在，表明斷口仍然具有適當的韌性和塑性，這與拉伸試驗結果中的塑性數據相吻合。

圖6 拉伸試樣斷口SEM微觀形貌照片

曲軸斷口疲勞源區表面的掃描電鏡微觀形貌照片見圖7，在裂紋源區可以清晰的看到疲勞輝紋的存在，疲勞輝紋為弧形，這與一般的條狀疲勞輝紋的形態有所不同，在彎曲與扭轉應力共同存在的疲勞斷口表面特別容易觀察到弧形疲勞輝紋，因此可以判斷導致該曲軸發生疲勞斷裂的交變應力中可能還含有扭轉應力成分。

圖7 裂紋源區SEM微觀形貌照片

曲軸斷口擴展區表面的掃描電鏡微觀形貌照片見圖8，其斷口形貌特征基本和裂紋源區相似，但是由于在交變撞擊過程中斷口表面遭到破壞，其疲勞輝紋特征不夠明顯。曲軸斷口瞬斷區表面的掃描電鏡微觀形貌照片見圖9，該斷口形貌特征與拉伸試樣斷口形貌完全一致。

圖8 裂紋擴展區SEM微觀形貌照片

圖9 瞬斷區SEM微觀形貌照片

曲軸材料的EDS能譜成分分析結果見表3，從成分分析結果來看，曲軸材料成分中含5.31%Si、0.52%P和0.23%S，該曲軸材料中硅元素、硫元素和磷元素的含量都比較高。硅元素含量過高是因為球墨鑄鐵鑄造工藝過程中孕育處理需要添加硅鐵，雖然硅可以促進鑄鐵的石墨化，但是硅元素含量過高會增大鑄鐵的脆性，另外硫、磷元素含量偏高對曲軸的性能也存在有害的影響。

該站從2013年2月正式采用氣體反沖法，到2014年12月底正常注汽550天，共節約用水W：

Fracture Analysis for K980A Air Compressor Crankshaft

Zhou Dong1Mi Liang1Wang Yu1Du Chunhai1Ding Yi2
(JiangSu Province Special Equipment Safty Supervision Inspection Institute YangZhou Branch Yangzhou 225003)
(2.Nanjing University of Technology Nanjing 210009)

Failure analysis of the K980A air compressor crankshaft when serving was conducted.On the basis of macro-fracture analysis, the fracture cause of crank shaft of air compressor was analyzed by metallographic analysis, mechanical properties, SEM analysis, EDS analysis and other methods.The results showed that the K980A crankshaft fracture belonged to the high cycle fatigue fracture.The low hardness of the surface was the cause that fatigue crack formed.Casting defects and high content of silicon, sulfur, phosphorus increased the brittleness of the crankshaft and promoted the growth of the crack.

Failure analysis Air compressor Crank shaft Fracture

X933.4

B

1673-257X(2015)06-67-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.06.015

周棟（1985～），男，碩士，檢驗員，主要從事鍋爐、壓力容器、壓力管道的檢驗及其承擔承壓設備失效分析工作。

2014-09-01）