曲軸斷裂失效分析

趙雙雙 蔣南 杜文樂 孫菊

摘? 要：針對壓縮機運行過程中曲軸發生斷裂破壞情況，對其斷裂原因進行分析。

關鍵詞：曲軸;斷裂;壓縮機

中圖分類號：U464.133.33? ? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1671-2064（2020）03-0000-00

1概述

斷裂曲軸材質為42CrMoA。曲軸工作氣氛為氫氣和酸氣，在使用1年后，工藝氣進油，油變酸，因此軸徑被腐蝕變細，使用激光熔覆方法進行修復，之后使用2個月后，發現機身震動嚴重，檢查發現曲軸外表面有裂紋。經查，激光熔覆材料為鐵基粉末，激光熔覆成分見表1，激光熔覆前，基體預熱溫度為80℃。熔覆速度為4～5mm/s，焊接時功率為4500W，焊后局部熱處理溫度為350℃。為了分析曲軸斷裂的原因，現對其進行顯微組織、化學成分、硬度檢測[1-4]。

2曲軸斷口宏觀形貌

肉眼觀察斷裂的曲軸表面有幾道裂紋，紅框位置上的深溝是為測試裂紋深度人為所致。斷裂曲軸實物照片見圖1所示。

3化學成分分析

采用德國OBLF QSN750-Ⅱ型真空直讀光譜儀對曲軸進行了化學成分定量分析，取樣部位在斷裂曲軸表面附近。具體分析結果見表2。表2中同時列出了標準中42CrMoA鋼的成分范圍。化學成分分析結果表明，曲軸的元素含量在正常范圍。

4金相組織分析

4.1非金屬夾雜物分析

在斷口附近取樣，檢測試樣的非金屬夾雜物。將金相樣品進行預磨、精磨、拋光，然后在德國蔡司Axio Observer Z1M光學顯微鏡下觀察，按照“GB/T 10561-2005鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法”進行檢測，檢測結果見表3，檢測典型圖片見圖2。

使用美國FEI Q45W7掃描電鏡及牛津X-MAXN 80能譜，對拋光狀態下的試樣進行掃描分析，確定材料中含有的夾雜物種類為A類（硫化物類）和D類（單顆粒球狀類）。掃描電鏡能譜下A類及D類夾雜物形貌及能譜分析結果見圖3，夾雜物主要為硫化錳，氧化鋁等。

4.2 顯微組織分析

在斷裂曲軸橫截面上取金相試樣，磨制其橫向截面，樣品經過金相磨樣、拋光之后使用4%硝酸水溶液進行腐蝕。肉眼可見貫穿熔覆區、熱影響區及基體的主裂紋。取樣部位及樣品宏觀形貌見圖4。

樣品在光學顯微鏡下觀察，熔覆層顯微組織形貌見圖 5（a）、5（b）。

基體組織形貌見圖6。基體組織為回火索氏體+少量屈氏體。

5掃描電鏡分析

5.1裂紋表面分析

金相試樣放入掃描電鏡中進行觀察，發現貫穿熔覆區和熱影響區的裂紋周邊有雜質。裂紋形貌見圖7（a），雜質經能譜分析為含錫夾雜，成分分析結果見圖7（b）。

檢測發現熔覆區及熱影響區附近多處有含錫夾雜，激光熔覆材料的化學成分中沒有錫元素，曲軸的材質中也不含錫元素，因此錫元素應該為外來雜質元素。像錫元素這樣的低熔點金屬元素的存在會對鋼性能造成的危害主要包括：（1）增加鋼的熱脆傾向，惡化鑄坯、鋼材的熱加工性能;（2）降低鋼的熱塑性，導致連鑄坯表面開裂;（3）造成低合金鋼的回火脆性和低溫脆性;（4）嚴重降低耐熱鋼的持久壽命和持久塑性;（5）在含氫氣氛中引起嚴重的應力腐蝕。

5.2曲軸斷口分析

觀察曲軸裂紋處斷口，斷口上有貝紋線，裂紋處宏觀斷口形貌見圖8（a）。斷口SEM形貌見圖8（b）。經能譜檢測在斷口附近有多處含錫夾雜，在背散射探頭下，淺灰色部位均為含錫夾雜，含錫夾雜的能譜分析結果見圖9。

6硬度檢測

經腐蝕金相試樣能清晰的區分激光熔覆區、熱影響區和基體組織的分布。在金相試樣上進行維氏硬度檢測，熔覆層硬度為253HV0.2，熱影響區硬度為389HV0.2，基體硬度為271HV0.2。

7結果分析

綜上檢測結果，斷裂源區附近發現大量含錫夾雜，主裂紋兩側均有含錫元素的夾雜。曲軸基體中未檢測出錫元素，可能是激光熔覆前曲軸件表面未清理干凈，由于低熔點錫元素的混入，造成曲軸使用壽命下降，夾雜物導致曲軸開裂。

參考文獻

[1]張永先，楊葉.往復式壓縮機活塞斷裂原因分析及解決措施[J].內燃機與配件，2019（18）：175-177.

[2]盤瑋，朱達華，顏小林.離心式壓縮機用螺栓斷裂失效分析[J].制冷與空調，2019，19（08）：37-40.

[3]潘強，韓維濤，徐衛忠，等.新氫壓縮機十字頭銷斷裂的原因分析及應對措施[J].壓縮機技術，2014（06）：55-58.

[4]吳勇.整體式天然氣壓縮機十字頭破裂分析與處理[J].機械工程師，2012（09）：138-139.

收稿日期：2020-01-09

作者簡介：趙雙雙（1987—），女，遼寧沈陽人，研究生，工程師，主要從事金屬材料研究工作。

Fracture Failure Analysis of Crankshaft

ZHAO Shuang-shuang，JIANG Nan，DU Wen-le，SUN Ju

（Shenyang Yuanda Compressor Co.， Ltd.， Shenyang Liaoning 110027）

Abstract： Aiming at the fracture and damage of crankshaft in compressor operation， the fracture reason is analyzed.

Key words：crankshaft;fracture;compressor