38CrMoAlA十字頭銷斷裂原因分析

趙雙雙 勾洋洋 杜文樂 浦一凡

摘 要：針對某38CrMoAlA十字頭銷運行過程中發(fā)生斷裂破壞，利用化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、金相分析等方法對其進行了失效分析。結(jié)果表明：該十字頭銷的斷裂為大應(yīng)力低周疲勞斷裂。

關(guān)鍵詞：十字頭銷;斷裂;38CrMoAlA;調(diào)質(zhì)

0引言

由某公司十字頭銷在運行三個月后發(fā)生斷裂。原材料為38CrMoAlA合金鋼，熱處理條件為調(diào)質(zhì)處理。產(chǎn)品執(zhí)行JB/T 6908-2006《容積式壓縮機用鋼鍛件》標準。為了分析十字頭銷斷裂的原因，現(xiàn)對其進行化學(xué)成分、金相組織、力學(xué)性能等檢驗分析[1-5]。

1化學(xué)成份及力學(xué)性能復(fù)檢

在斷裂的十字頭銷件上取樣，采用德國OBLF QSN750-Ⅱ型真空直讀光譜儀進行化學(xué)成分檢測。檢測標準為GB/T 4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》。檢測結(jié)果見表1，表1中同時列出了JB/T 6908-2006中38CrMoAl標準值。表明試件的化學(xué)成份符合標準要求。

2十字頭銷宏觀檢測

圖1為十字頭銷斷口宏觀形貌。受油孔分隔，斷面分4個扇形區(qū)域，每個區(qū)域都是一個單獨的斷口。其中兩個相鄰的斷口為典型疲勞斷口，另兩個相鄰斷口為大載荷快速斷裂斷口。疲勞斷口部分如見圖2所示，貝殼狀花紋清晰可見，斷口呈明顯的疲勞斷裂特征，斷裂性質(zhì)為大應(yīng)力低周疲勞。在疲勞斷口上，觀察可見多個裂紋源，說明應(yīng)力集中系數(shù)越大。名義應(yīng)力越高，疲勞源出現(xiàn)的數(shù)目就越多。疲勞源主要位于十字頭銷外表面，在銷釘孔的外沿的倒角部位。

圖中宏觀斷口檢測，疲勞源附近的滲氮層有脆性剝離現(xiàn)象，滲氮層由外表面向基體有多條裂紋，見圖3，圖4。觀察十字頭銷軸向形貌，發(fā)現(xiàn)有一些平行的摩擦痕跡，藍灰色氧化膜的出現(xiàn)意味著有局部過熱現(xiàn)象，見圖5。

除了兩個疲勞斷口區(qū)域外，另兩個區(qū)域為銷釘最后斷裂的區(qū)域，為服役中后期因疲勞開裂的原因使銷釘有效截面積顯著減小，大應(yīng)力導(dǎo)致的斷裂。

3十字頭銷微觀組織檢測

在斷裂十字頭銷斷裂面附近橫截面取樣，按照GB/T 226-2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》，用1∶1鹽酸水溶液腐蝕觀察其宏觀形貌，依據(jù)GB/T 1979-2001《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評級圖》評定，屬于一般疏松0.5級，中心疏松0.5級，錠型偏析0.5級。符合標準要求。

將斷裂件上取樣檢測試樣的非金屬夾雜物。將金相樣品進行預(yù)磨、精磨、拋光，然后在德國蔡司Axio Observer Z1M光學(xué)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(jié)果見表3。

使用3%硝酸酒精溶液對金相試樣進行腐蝕。進行晶粒度、微觀組織檢測。依照GB/T6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》，試樣的晶粒度為6級，組織為帶有馬氏體取向的回火索氏體組織。調(diào)質(zhì)后組織見圖6。樣品的氮化層厚度在0.4mm左右，見圖7。

4檢測分析結(jié)論

在故障件上取樣，采用直讀光譜儀、金相顯微鏡、顯微硬度計等檢測方法，對38CrMoAlA合金鋼材料的化學(xué)成分、非金屬夾雜物、顯微組織和裂紋形貌等項目進行了檢驗分析。并測試了其材料的力學(xué)性能。材料的化學(xué)成分符合標準要求，力學(xué)性能基本合格（沖擊值略低于國標，但達到行業(yè)標準）。

十字頭銷表層滲氮層厚度為0.4mm。

十字頭銷斷裂特征為大應(yīng)力低周疲勞斷裂。其斷裂原因為，在十字銷工作過程中，因沖擊載荷等過載或大應(yīng)力過程，損傷銷釘表面，以及在表層產(chǎn)生周期性的拉壓應(yīng)力和應(yīng)變，促使?jié)B氮層發(fā)生了分層和開裂。表層裂紋形成了應(yīng)力集中，在大應(yīng)力交變作用下裂紋將快速擴展。當裂紋擴展到一定程度后，在載荷作用下銷釘發(fā)生形變，因形變造成銷釘與襯套摩擦出現(xiàn)磨損痕跡;由形變造成的異常磨損和形成的局部的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，加速了十字頭銷的疲勞斷裂。

參考文獻

[1] 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（9）：138-139.

[2] 梅凱，儲曉明.40CrNiMo曲軸斷裂原因淺析[J].現(xiàn)代冶金，2019，47（5）：31-34.

[3] 潘強，韓維濤，徐衛(wèi)忠，等.新氫壓縮機十字頭銷斷裂的原因分析及應(yīng)對措施[J].壓縮機技術(shù)，2014（6）：55-58.

[4] 張淑穎，董金善，江小志，等.35CrMo鋼壓縮機曲軸斷裂失效分析[J].熱加工工藝，2015，44（4）：244-246.

[5] 扈延光，于榮莉，田永江.壓縮機十字頭銷斷裂失效分析及預(yù)防[J].材料工程，1997（5）：45-47.