圖 1 斷裂曲軸外觀
分享：空壓機(jī)曲軸斷裂原因
某型號空壓機(jī)在進(jìn)行流量摸底測試期間，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，經(jīng)拆解檢查發(fā)現(xiàn)其曲軸曲拐(靠近皮帶輪端)斷裂。對斷軸后的空壓機(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方法對曲軸斷裂的原因進(jìn)行分析，以避免該類問題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
對斷裂曲軸進(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渡R處；斷口裂紋源區(qū)呈臺階狀，該裂紋源區(qū)對應(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42CrMo鋼的要求。
Table 1. 斷裂曲軸化學(xué)成分分析結(jié)果
| 項目 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Mn | Si | P | S | Cr | Mo | Ni | Cu | |
| 實測值 | 0.43 | 0.61 | 0.23 | 0.010 | 0.003 | 0.97 | 0.17 | 0.023 | 0.022 |
| 標(biāo)準(zhǔn)值 | 0.38~0.45 | 0.50~0.80 | 0.17~0.37 | ≤ 0.030 | ≤ 0.030 | 0.90~1.20 | 0.15~0.25 | ≤ 0.30 | ≤ 0.30 |
1.3 力學(xué)性能測試
在斷裂的曲軸1/3 R處取樣，對試樣進(jìn)行拉伸試驗，在斷裂曲軸不同部位取硬度試樣，取樣位置如圖3所示，對試樣進(jìn)行硬度測試。斷裂曲軸的力學(xué)性能測試結(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
Table 2. 斷裂曲軸的力學(xué)性能測試結(jié)果
| 項目 | 下屈服強(qiáng)度/MPa | 抗拉強(qiáng)度/MPa | 斷后伸長率% | 硬度/HRC | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 位置1 | 位置2 | 斷裂R處 | ||||
| 實測值 | 667 | 864 | 18.5 | 24.5，24.0，23.0 | 26.5，26.5，26.5 | 22.5，23.0，21.0 |
| 技術(shù)要求 | - | ≥880 | - | 26~30 | ||
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
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角半徑實測值為2.25 mm，圖紙R3（R角半徑為3 mm的圓角或圓弧）位置的R角半徑實測值為4.18 mm，斷裂部位的過渡R角的半徑明顯小于圖紙要求。
圖 5 斷裂R角半徑測量結(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，說明該曲軸經(jīng)過了調(diào)質(zhì)熱處理，但R處顯微組織中鐵素體較為明顯，說明其調(diào)質(zhì)熱處理不充分。實際斷裂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渡R處硬度偏低，導(dǎo)致該部位實際的疲勞強(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]。
對整個曲軸的加工制造過程進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)該曲軸熱處理后的力學(xué)性能測試試樣選取存在問題，實際操作是從曲軸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)性能測試，因此在檢驗時，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，待整個工件熱處理后，在延伸段的1/3R處取樣。實際操作過程中，先切取小試棒的做法未考慮大工件的淬透性問題，因而導(dǎo)致檢驗過程中未查出曲軸的力學(xué)性能問題，從而未能及時發(fā)現(xiàn)曲軸的熱處理不充分問題。
3. 結(jié)論及建議
該曲軸的熱處理檢驗試樣選取不當(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取樣要求，留足延伸段，待整體熱處理完后取樣檢驗。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。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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