壓縮機連桿斷裂失效分析

楊福伢 任家虎 常德衛

1.中國石化揚子石油化工有限公司 江蘇南京 210000；2.化學工業設備質量監督檢驗中心 江蘇南京 210000

某化工廠壓縮機2#50 機一段連桿在安裝運行13d后突然斷裂，導致機組報廢停止運行。該連桿材質為42CrMoA，熱處理狀態為調質處理。其一進壓力設計為0.135MPa，運行為0.04MPa；一出壓力設計為0.34MPa，運行為0.24MPa；推力為50t。為防止斷裂的再次發生，化工廠委托檢驗中心對其斷裂原因進行分析。

1 分析過程與結果

1.1 宏觀檢驗

現場初步勘察發現，連桿斷裂于連桿桿身中間位置，裂紋起源于外表面，裂紋源附近可見貝殼狀宏觀條紋標記及機械磨光標記。裂紋擴展區約占整個斷面面積的1/ 2，可見多處二次疲勞臺階，最終斷裂區約占整個斷面面積的1/ 3，呈剪切唇形貌，斷口呈現宏觀疲勞特征。如圖1 所示。距斷口20mm 橫向截面處發現1 處表面裂紋，裂紋深度約1.7mm，如圖2 所示。

圖1 斷口處照片（×1）

圖2 表面裂紋照片（×8）

1.2 化學成分

連桿樣品化學成分分析結果見表1，由表可見，其化學成分符合標準JB/ T6908—2006 對42CrMo 材料的要求。

表1 連桿化學成分分析結果 wt%

1.3 力學試驗

連桿樣品力學試驗結果如表2 和表3 所示，由表可見，其抗拉強度略低于JB/ T6908—2006 對42CrMo 的要求，屈服強度和斷后伸長率均符合JB/ T6908—2006 對42CrMo 的要求，室溫沖擊功滿足標準要求。

表2 連桿樣品力學性能分析結果

表3 連桿樣品室溫沖擊功 J

1.4 金相分析

連桿樣品表面脫碳，金相組織為鐵素體+ 珠光體，脫碳層深度金相法測定1.4mm，斷口附近脫碳層發現一處平行于斷口的表面裂紋，裂紋主要呈穿晶形態，如圖3（a）所示。圖3（b）所示斷口面二次裂紋開裂于組織不均勻處。總脫碳層以下近表面位置金相組織為鐵素體+ 貝氏體+回火索氏體，如圖3（c）所示；向心部位置繼續觀察，鐵素體逐漸消失，心部金相組織為貝氏體+ 回火索氏體，回火索氏體呈帶狀分布，為未完全淬透組織，如圖3（d）所示。

圖3 斷口處軸向截面組織形貌

橫向截面表面裂紋附近經觀察發現3 處裂紋（圖4），長度分別為1748.95、1254.05、611.93μm。其中裂紋2、裂紋3 處于脫碳層區，裂紋1 已延伸至正常組織區，裂紋起源的外表面已近于完全脫碳。

圖4 距斷口20mm 橫向截面裂紋形貌

1.5 脫碳層顯微硬度測定

對脫碳層顯微硬度進行測定，結果見圖5。由圖可見，總脫碳層深度硬度法測定為1.4mm，距表面0.5mm 內區域硬度嚴重偏低（138～159HV）。

圖5 脫碳層硬度曲線圖

1.6 斷口分析

連桿斷口清洗后，通過掃描電子顯微鏡進行觀察，結果如圖6 所示。由圖可見，宏觀貝紋區發現大量疲勞輝紋，且紋間距較大，為低周疲勞特征。疲勞過渡區（圖7）可見疲勞輝紋及二次疲勞臺階。由此判斷，該斷口為疲勞斷裂。距斷口20mm 橫向截面處表面裂紋間隙內發現疲勞輝紋形貌（圖8），說明該處已發生疲勞。

圖6 宏觀貝紋區斷口形貌圖

圖7 疲勞過渡區斷口形貌圖

圖8 距斷口20mm 橫向截面處表面裂紋形貌圖

1.7 能譜分析

用X 射線能譜儀對樣品表面裂紋縫隙內（裂紋1）腐蝕產物進行分析，結果見表4。由表可知，腐蝕產物均以氧 化物為主。

表4 腐蝕產物主要元素分析能譜結果 wt%

2 開裂原因分析

（1）連桿表面嚴重脫碳，使得連桿表面無法淬硬。金相組織（鐵素體+ 珠光體）為非正常調質組織，表面硬度嚴重偏低，距表面0.5mm 區域內硬度僅為138～59HV，使得連桿表面強度不夠，從而導致在疲勞工況下產生多處脫碳層內微裂紋。這些微裂紋是形成疲勞源的敏感部位，距斷口20mm 橫向截面處表面裂紋間隙內觀察到的疲勞輝紋形貌證實了這一點。

（2）熱處理工藝不合理，使得連桿整體金相組織（脫碳層以下至心部）出現大量貝氏體組織，而非調質態出現的回火索氏體組織導致連桿的整體強度和硬度偏低。其次，由于淬火加熱溫度偏低導致的鍛造帶狀組織未消除會造成力學性能的降低，斷口面二次裂紋沿帶狀分布的回火索氏體開裂說明了這一點。

3 結論與建議

（1）連桿表面嚴重脫碳使得表面強度及硬度過低，在疲勞工況下產生脫碳層微裂紋形成疲勞源，從而造成快速斷裂的低周疲勞斷裂。有研究表明，脫碳嚴重影響工件的力學性能，降低工件表層的強度、硬度和疲勞強度，最終會導致連桿在使用過程中過早地發生疲勞失效損壞。壓縮機連桿生產過程中可通過打磨、機加工等方法去除脫碳層，或在熱處理過程中控制脫碳層深度。連桿出廠檢驗需關注表面硬度，當表面硬度低于標準要求時需檢驗工件脫碳層。

（2）熱處理工藝不當導致連桿整體強度和硬度偏低，且未能消除影響力學性能的鍛造帶狀組織。可通過加快淬火冷卻速度，提高淬火加熱溫度來改善。