分享：空压机曲轴断裂原因

某型号空压机在进行流量摸底测试期间，空载状态下运行约1 h后突然出现异响，停机检查后仍能盘车转动，经拆解检查发现其曲轴曲拐(靠近皮带轮端)断裂。对断轴后的空压机进行拆机检查，发现活塞、活塞环、连杆、轴瓦、连杆螺钉等均没有明显受损痕迹。断裂曲轴外观如图1所示。笔者采用一系列理化检验方法对曲轴断裂的原因进行分析，以避免该类问题再次发生。 

图  1  断裂曲轴外观

1.   理化检验

1.1   宏观观察

对断裂曲轴进行宏观观察，结果如图2所示。由图2可知：断裂位置为曲柄和连杆轴颈的过渡R处；断口裂纹源区呈台阶状，该裂纹源区对应图纸的R4位置（R角半径为4 mm的圆角或圆弧处），裂纹扩展区可见贝壳纹，该曲轴断口呈典型的疲劳断裂特征。 

图  2  断裂曲轴的宏观形貌

1.2   化学成分分析

在断裂曲轴上取样，对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂曲轴的化学成分符合GB/T 3077—2015 《合金结构钢》对42CrMo钢的要求。 

1.3   力学性能测试

在断裂的曲轴1/3 R处取样，对试样进行拉伸试验，在断裂曲轴不同部位取硬度试样，取样位置如图3所示，对试样进行硬度测试。断裂曲轴的力学性能测试结果如表2所示。由表2可知：曲轴的抗拉强度低于图纸的技术要求；位置1和断裂R处的硬度低于调质的技术要求。 

图  3  硬度试样取样位置示意

1.4   扫描电镜（SEM）分析

将断口进行清洗后，在断口处截取试样，将试样置于扫描电子显微镜下观察，结果如图4所示。由图4可知：断口裂纹源区呈台阶状；裂纹扩展区可见大致平行的二次裂纹及疲劳辉纹；最后断裂区呈韧窝特征，断口形貌符合疲劳断裂的微观形貌特征，裂纹源区R处存在明显的机械加工车刀纹。 

图  4  曲轴断口处SEM形貌

1.5   金相检验

截取断裂部位裂纹源处的剖面试样，将试样镶嵌、磨抛处理后，置于光学显微镜下观察，并测量其R角的半径，结果如图5所示。由图5可知：图纸上R4位置的R角半径实测值为2.25 mm，图纸R3（R角半径为3 mm的圆角或圆弧）位置的R角半径实测值为4.18 mm，断裂部位的过渡R角的半径明显小于图纸要求。 

图  5  断裂R角半径测量结果

裂纹源R处的抛光态形貌可见明显的车刀纹（见图6），试样的显微组织为回火索氏体+铁素体（见图7）。 

图  6  裂纹源R处抛光态形貌

图  7  裂纹源R处显微组织形貌

2.   综合分析

由上述理化检验结果可知：送检断裂曲轴的断裂部位为曲柄与连杆轴颈的过渡R处，断口呈疲劳断裂特征，曲轴的断裂性质为疲劳断裂。断裂曲轴的化学成分符合标准要求，其抗拉强度低于图纸要求，断裂R处的硬度低于调质的技术要求。断裂R处的显微组织为回火索氏体+铁素体，说明该曲轴经过了调质热处理，但R处显微组织中铁素体较为明显，说明其调质热处理不充分。实际断裂R处尺寸明显小于图纸要求。断裂R处存在明显的机械加工车刀纹。 

断裂曲轴曲柄与连杆轴颈的过渡R处硬度偏低，导致该部位实际的疲劳强度降低，R角半径偏小，且存在明显的机械加工车刀纹，增大了该部位的应力集中程度[1]。在曲轴运行过程中，应力集中处萌生了疲劳裂纹，在交变载荷的作用下，裂纹疲劳扩展，最终导致曲轴断裂[2]。 

对整个曲轴的加工制造过程进行检查，发现该曲轴热处理后的力学性能测试试样选取存在问题，实际操作是从曲轴1/3 R处下料切成小试棒，然后随炉热处理后进行力学性能测试，因此在检验时，曲轴的力学性能指标均符合图纸要求。然而，正常的调质热处理取样应该是留足延伸段，待整个工件热处理后，在延伸段的1/3R处取样。实际操作过程中，先切取小试棒的做法未考虑大工件的淬透性问题，因而导致检验过程中未查出曲轴的力学性能问题，从而未能及时发现曲轴的热处理不充分问题。 

3.   结论及建议

该曲轴的热处理检验试样选取不当，导致曲轴的力学性能不满足图纸要求。断裂曲轴R处的硬度偏低、半径偏小，且存在机械加工车刀纹，导致R处的疲劳强度偏低，产生了应力集中，萌生了疲劳裂纹，在交变载荷的作用下，曲轴发生疲劳断裂。 

建议明确热处理检验取样要求，留足延伸段，待整体热处理完后取样检验。提高曲轴R处机械加工质量，避免产生明显的车刀纹。

文章来源——材料与测试网