空壓機曲軸斷裂分析

■ 姜永升，李 忙

曲軸受到周期性不斷變化的交變載荷作用，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和橫向與縱向振動，承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊等多種應(yīng)力的作用。曲軸在斷裂之前沒有先兆，是一種突發(fā)性事故，一旦發(fā)生將造成較大危害。近期公司生產(chǎn)的1.6m3空壓機曲軸出現(xiàn)多起斷裂事故。該類曲軸材質(zhì)為40Cr，熱處理工藝流程為：鍛造→正火→調(diào)質(zhì)→軸頸高頻感應(yīng)淬火。

1. 力學(xué)性能分析

（1）斷口宏觀分析 圖1為曲軸斷面形貌，斷口邊緣無明顯的塑性變形。整個斷面與軸頸軸線呈45°角，斷口面呈現(xiàn)出典型的海灘花樣疲勞紋及斷裂臺階特征，可以判斷該曲軸斷裂性質(zhì)為彎曲-扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。瞬斷區(qū)所占斷面面積較小，說明曲軸在運行過程中所受載荷不大。裂紋源位于退刀槽圓角處，可以看出該處車削刀痕較深，同時存在毛刺。

（2）裂紋源分析 對斷裂曲軸進行解剖，并觀察退刀槽圓角處組織。圖2可以看出退刀槽圓角表面粗糙度很差，存在尖銳凹坑與突起的毛刺。

圖1 曲軸斷裂形貌

圖2 圓角剖面

圖3顯示在該處表面金屬存在塑性流變，同時在塑性流變的局部區(qū)域存在微裂紋，說明在車削過程中車刀與曲軸表面基本上未產(chǎn)生切削，存在高速摩擦現(xiàn)象，造成了表面金屬損傷，大幅降低了金屬的抗塑性變形能力與阻礙裂紋擴展的能力。

由圖4可以看出，在軸拐頸與退刀槽交界位置存在一條表面擴展裂紋。該裂紋起始于退刀槽表面金屬受損區(qū)，在運行過程中沿著最大受力方向，向內(nèi)部擴展。

（3）基體組織分析 由圖5可以看出，曲軸基體組織為回火索氏體+較多條狀鐵素體組織，同時硬度為245HBW，偏于標準下限。

（4）感應(yīng)淬火區(qū)組織 如圖6所示，硬化區(qū)組織為回火馬氏體組織，硬度為55HRC，符合標準要求（48～55HRC）。

圖3 金屬流變區(qū)

圖4

圖5 基體組織

圖6 硬化區(qū)組織

2. 分析與討論

根據(jù)以上檢驗結(jié)果，曲軸基體調(diào)質(zhì)組織及硬度（偏下限）、軸頸表面高頻感應(yīng)淬硬層組織及其硬度均合格。通過斷口分析表明該曲軸斷裂性質(zhì)為彎曲-扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂，裂紋源位于退刀槽薄弱區(qū)，為切削加工刀痕、金屬微觀損傷、毛刺和尖銳的交匯線。當(dāng)曲軸表面這些加工缺陷達到一定程度并處于與交變的主應(yīng)力面平行時便形成了裂紋源，在運行過程中形成應(yīng)力集中，在交變載荷的作用下最終造成曲軸疲勞斷裂。

3. 結(jié)論和建議

（1）該曲軸斷裂為彎曲-扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂，裂紋源位于退刀槽加工刀痕及金屬塑性流變區(qū)（局部存在微裂紋），在運行過程中形成應(yīng)力集中，造成曲軸疲勞斷裂。

（2）優(yōu)化調(diào)質(zhì)工藝，適當(dāng)提高曲軸強度，增加其抗彎曲變形能力；對退刀槽過渡圓弧處進行磨削加工，降低表面粗糙度值并減少金屬損傷對疲勞強度產(chǎn)生的影響。經(jīng)過上述工藝有效地控制了曲軸的斷裂失效現(xiàn)象。

參考文獻：

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[2] 黃錫愷.機械原理[M].北京：人民教育出版社，1981.