K980 A空氣壓縮機(jī)曲軸斷裂失效分析

周 棟糜 亮王 瑀杜春海丁 毅

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院揚(yáng)州分院 揚(yáng)州 225000）

（2.南京工業(yè)大學(xué) 南京 210009）

K980 A空氣壓縮機(jī)曲軸斷裂失效分析

周 棟1糜 亮1王 瑀1杜春海1丁 毅2

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院揚(yáng)州分院 揚(yáng)州 225000）

（2.南京工業(yè)大學(xué) 南京 210009）

針對(duì)K980A空氣壓縮機(jī)在服役時(shí)發(fā)生曲軸斷裂進(jìn)行了失效分析。在宏觀斷口分析的基礎(chǔ)上，采用金相顯微組織分析、機(jī)械性能測(cè)試、表面形貌分析（SEM）以及材質(zhì)分析（EDS）等方法分析了壓縮機(jī)曲軸斷裂失效的根本原因。結(jié)果表明，K980A曲軸斷裂屬于高周疲勞斷裂，曲軸外表面硬度偏低是疲勞裂紋形成的原因；鑄造缺陷以及硅、硫、磷雜質(zhì)含量偏高，增加了曲軸的脆性，促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展。

失效分析 空氣壓縮機(jī) 曲軸 斷裂

空氣壓縮機(jī)是一種通過(guò)壓縮空氣來(lái)提高空氣壓力或輸送空氣的機(jī)械，是動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件。某廠K980A空氣壓縮機(jī)在正常服役時(shí)(1000r/min，電壓380V，累計(jì)使用8000h左右)曲軸發(fā)生斷裂，嚴(yán)重影響了公司的正常生產(chǎn)。曲軸是空氣壓縮機(jī)的重要組成部分，其材質(zhì)為球墨鑄鐵。斷裂是曲軸的主要破壞形式之一。曲軸的斷裂與材料的微觀組織、冶金夾雜物等有直接關(guān)系[1-5]。本文通過(guò)宏觀斷口、金相組織、機(jī)械性能、SEM、EDS等方法對(duì)曲軸斷裂失效原因進(jìn)行分析和檢驗(yàn)，以探究斷裂失效的原因。

1 實(shí)驗(yàn)方法

曲軸結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。斷裂位置，位于第二循環(huán)斷的中部位置。首先對(duì)斷口進(jìn)行宏觀斷口分析，在宏觀斷口分析的基礎(chǔ)上，對(duì)曲軸各部位的進(jìn)行石墨化評(píng)級(jí)、金相組織分析。用掃描電鏡觀察失效曲軸的斷口以及進(jìn)行成分分析；根據(jù)GB 1348—2009加工成拉伸試樣，用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定曲軸基體的靜態(tài)力學(xué)性能指標(biāo)；用維氏顯微硬度計(jì)測(cè)定曲軸材料的基體硬度及軸頸表面硬度。

圖1 曲軸示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 曲軸外形及斷口宏觀分析

曲軸斷裂位置兩端軸徑分別為130mm、110mm。斷口宏觀照片見(jiàn)圖2，從圖2(a)、圖2(b)可以看出，斷裂起源于曲軸軸頸外表面，隨后沿著與軸線呈大約30度角度的斷裂面發(fā)展，并最終貫穿整個(gè)軸肩。根據(jù)斷口表面粗糙程度，可以將斷口分為光滑區(qū)（約占整個(gè)斷口面積的2/3）和粗糙區(qū)（約占整個(gè)斷口面積的1/3）兩個(gè)部分，在斷口表面光滑區(qū)清晰可見(jiàn)疲勞斷口所特有的貝殼狀花紋，因此可以確定該曲軸斷裂屬于疲勞斷裂。斷口表面粗糙區(qū)為最終斷裂區(qū)，簡(jiǎn)稱(chēng)瞬斷區(qū)，而光滑區(qū)又可以進(jìn)一步分為疲勞裂紋源和疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)兩個(gè)部分。整個(gè)斷口表面基本沒(méi)有塑性變形痕跡，而且在擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)斷口表面還發(fā)現(xiàn)有大量鑄造缺陷（氣孔）的存在，見(jiàn)圖2(c)?？紤]到曲軸在工作過(guò)程中因旋轉(zhuǎn)彎曲運(yùn)動(dòng)所造成的彎曲交變應(yīng)力，同時(shí)考慮到疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)占據(jù)了斷口的主要面積，因此可以進(jìn)一步判斷該曲軸斷裂屬于低應(yīng)力高周疲勞斷裂。

2.2 曲軸金相顯微組織分析

曲軸的裂紋源區(qū)金相微觀組織照片見(jiàn)圖3。從圖3(a)未浸蝕的金相組織照片中可以清晰地看到石墨的形態(tài)，石墨形態(tài)為球狀石墨+少量團(tuán)片狀石墨，球化級(jí)別4級(jí)，石墨大小4級(jí)，球化等級(jí)略不足。從圖3(b)中可以看出，疲勞裂紋源區(qū)的金相顯微組織基本由鐵素體（白色）＋少量滲碳體（黑色片狀）+球狀石墨（黑色）+團(tuán)片狀石墨（黑色）組成。

圖2 (a) 宏觀照片

圖2 (b) 斷口照片

圖2 (c) 斷口鑄造缺陷宏觀照片

圖3 裂紋源區(qū)金相照片

曲軸的裂紋擴(kuò)展區(qū)金相顯微組織照片見(jiàn)圖4。從圖4(a)未浸蝕的金相組織照片中同樣可以清晰地看到石墨的形態(tài)為球狀石墨+少量團(tuán)狀石墨，球化級(jí)別3級(jí)，石墨大小為4級(jí)，球化等級(jí)中等。從圖4(b)中可以看出，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的金相顯微組織基本由鐵素體（白色）＋少量滲碳體（黑色片狀）+球狀石墨（黑色）+團(tuán)片狀石墨（黑色）組成。

圖4 裂紋擴(kuò)展區(qū)金相照片和裂紋擴(kuò)展區(qū)金相照片

曲軸的瞬斷區(qū)金相顯微組織照片見(jiàn)圖5。從圖5(a)未浸蝕的金相組織照片中同樣可以清晰地看到石墨的形態(tài)為球狀石墨+少量團(tuán)狀石墨，球化級(jí)別4級(jí)，石墨大小為4級(jí)，球化等級(jí)略不足。從圖4(b)可以看出，疲勞裂紋瞬斷區(qū)的金相顯微組織基本由鐵素體（白色）+大量滲碳體（黑色片狀）+球狀石墨（黑色）+團(tuán)片狀石墨（黑色）組成。瞬斷區(qū)中大量未石墨化片狀滲碳體的存在，表明該區(qū)石墨化處理（或者孕育處理）工藝質(zhì)量存在問(wèn)題。從金相組織照片可以看出曲軸外表面附近（疲勞源區(qū)和瞬斷區(qū)）的石墨球化不良，石墨顆粒也比較大，外表面（裂紋源區(qū)和瞬斷區(qū)）組織相對(duì)較差，這就給裂紋源在曲軸外表面的形成提供了組織條件。

圖5 瞬斷區(qū)金相照片和瞬斷區(qū)金相照片

2.3 顯微硬度測(cè)試

曲軸金相組織鐵素體基體顯微硬度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，從表1中顯微維氏硬度數(shù)據(jù)可以看出，曲軸外表面（疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)）顯微硬度相差不大分別為158HV0.2和163HV0.2，曲軸中部硬度最高（約226HV0.2），曲軸表面硬度偏低。由于曲軸受到彎曲應(yīng)力，表面拉應(yīng)力最大，同時(shí)曲軸外表面金相組織較差，硬度偏低，而軸肩臺(tái)階處又存在應(yīng)力集中，因此直接導(dǎo)致了疲勞裂紋源的形成，并最終使曲軸發(fā)生疲勞斷裂。

表1 顯微維氏硬度數(shù)據(jù)表（HV0.2）

3 曲軸材料力學(xué)性能測(cè)試

曲軸材料的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，并和鐵素體球墨鑄鐵的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比。從表2中可以看出，曲軸的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率符合鐵素體球墨鑄鐵的標(biāo)準(zhǔn)性能指標(biāo)要求，由于取樣位置的限制，拉伸試樣斷裂部位對(duì)應(yīng)于曲軸中部，而曲軸中部硬度較高，因此抗拉強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)性能要求是可以理解的，但是不能代表曲軸表面的抗拉強(qiáng)度同樣滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)表1的硬度測(cè)試，曲軸近表面硬度低于曲軸中部硬度，可以推斷曲軸表面材料的抗拉強(qiáng)度應(yīng)該低于曲軸中部的抗拉強(qiáng)度值。

表2 曲軸材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)表

4 曲軸微觀斷口形貌SEM分析和成分分析

曲軸拉伸試驗(yàn)斷口表面的掃描電鏡微觀形貌照片見(jiàn)圖6，由于受到石墨粉末的污染以及可能的氧化腐蝕，斷口形貌不夠清晰，但是仍然可以看出曲軸拉伸試驗(yàn)斷口為準(zhǔn)解理斷口，具有一定的脆性，但是在解理臺(tái)階周?chē)瑫r(shí)發(fā)現(xiàn)有大量韌性撕裂棱存在，表明斷口仍然具有適當(dāng)?shù)捻g性和塑性，這與拉伸試驗(yàn)結(jié)果中的塑性數(shù)據(jù)相吻合。

圖6 拉伸試樣斷口SEM微觀形貌照片

曲軸斷口疲勞源區(qū)表面的掃描電鏡微觀形貌照片見(jiàn)圖7，在裂紋源區(qū)可以清晰的看到疲勞輝紋的存在，疲勞輝紋為弧形，這與一般的條狀疲勞輝紋的形態(tài)有所不同，在彎曲與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力共同存在的疲勞斷口表面特別容易觀察到弧形疲勞輝紋，因此可以判斷導(dǎo)致該曲軸發(fā)生疲勞斷裂的交變應(yīng)力中可能還含有扭轉(zhuǎn)應(yīng)力成分。

圖7 裂紋源區(qū)SEM微觀形貌照片

曲軸斷口擴(kuò)展區(qū)表面的掃描電鏡微觀形貌照片見(jiàn)圖8，其斷口形貌特征基本和裂紋源區(qū)相似，但是由于在交變撞擊過(guò)程中斷口表面遭到破壞，其疲勞輝紋特征不夠明顯。曲軸斷口瞬斷區(qū)表面的掃描電鏡微觀形貌照片見(jiàn)圖9，該斷口形貌特征與拉伸試樣斷口形貌完全一致。

圖8 裂紋擴(kuò)展區(qū)SEM微觀形貌照片

圖9 瞬斷區(qū)SEM微觀形貌照片

曲軸材料的EDS能譜成分分析結(jié)果見(jiàn)表3，從成分分析結(jié)果來(lái)看，曲軸材料成分中含5.31%Si、0.52%P和0.23%S，該曲軸材料中硅元素、硫元素和磷元素的含量都比較高。硅元素含量過(guò)高是因?yàn)榍蚰T鐵鑄造工藝過(guò)程中孕育處理需要添加硅鐵，雖然硅可以促進(jìn)鑄鐵的石墨化，但是硅元素含量過(guò)高會(huì)增大鑄鐵的脆性，另外硫、磷元素含量偏高對(duì)曲軸的性能也存在有害的影響。

該站從2013年2月正式采用氣體反沖法，到2014年12月底正常注汽550天，共節(jié)約用水W：

Fracture Analysis for K980A Air Compressor Crankshaft

Zhou Dong1Mi Liang1Wang Yu1Du Chunhai1Ding Yi2
(JiangSu Province Special Equipment Safty Supervision Inspection Institute YangZhou Branch Yangzhou 225003)
(2.Nanjing University of Technology Nanjing 210009)

Failure analysis of the K980A air compressor crankshaft when serving was conducted.On the basis of macro-fracture analysis, the fracture cause of crank shaft of air compressor was analyzed by metallographic analysis, mechanical properties, SEM analysis, EDS analysis and other methods.The results showed that the K980A crankshaft fracture belonged to the high cycle fatigue fracture.The low hardness of the surface was the cause that fatigue crack formed.Casting defects and high content of silicon, sulfur, phosphorus increased the brittleness of the crankshaft and promoted the growth of the crack.

Failure analysis Air compressor Crank shaft Fracture

X933.4

B

1673-257X(2015)06-67-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.06.015

周棟（1985～），男，碩士，檢驗(yàn)員，主要從事鍋爐、壓力容器、壓力管道的檢驗(yàn)及其承擔(dān)承壓設(shè)備失效分析工作。

2014-09-01）