（太原煤炭氣化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 山西 030032）

1.引言

2019年3月16日，某燃?xì)庥邢薰?#原料氣壓縮4級缸活塞桿檢修完啟動運(yùn)行2小時（累計(jì)運(yùn)行8000多小時）后發(fā)生斷裂事故，活塞桿工作溫度低于105℃，工作介質(zhì)為焦?fàn)t煤氣，活塞桿直徑為100mm，材料為42CrMoE合金結(jié)構(gòu)鋼，原料氣壓縮機(jī)活塞桿示意圖如圖1所示。

圖1 焊接活塞

2.原因分析

2019年8月，某燃?xì)庥邢薰緦⑸鲜霭l(fā)生斷裂的4級缸活塞桿送交至某金屬研究所，對活塞桿斷裂性質(zhì)進(jìn)行原因分析，結(jié)果如下：

（1）斷口表面分析。斷裂處距活塞桿螺紋端面經(jīng)測量長度約為1.39m。由于送檢活塞桿較長，斷裂后的活塞桿表面銹蝕較重，為環(huán)向斷裂，斷裂處較平直，不便于對斷口進(jìn)行檢查，故用線切割從斷口下方16mm處將斷口切下，并對斷口表面銹蝕嚴(yán)重且發(fā)生研磨，發(fā)現(xiàn)刮油環(huán)彈簧或填料函彈簧掉入斷口留下的擠壓痕跡，即瞬斷區(qū)。對端口部位進(jìn)一步放大，有三處斷裂臺階，并伴隨一條弧線出現(xiàn)，判斷應(yīng)為疲勞弧線，疲勞弧線是疲勞斷口的典型宏觀形貌，說明該斷口為疲勞斷口，疲勞源的位置可見明顯的放射狀紋理，紋理由活塞桿表面起始、向心部擴(kuò)展，疲勞源為線源，長度約為6mm、寬度約為0.9mm，疲勞源側(cè)面可見軸向摩擦痕跡，疲勞擴(kuò)展區(qū)斷口較為平坦，但銹蝕嚴(yán)重，以致無法分辨斷裂形貌。

（2）斷口側(cè)面分析。對活塞桿斷口側(cè)面的切割面放大分析，斷裂面的切割面的分布不均勻，一部分摩擦面粗糙，磨損較重，可見清晰的軸向摩擦痕跡；另一部分摩擦面光亮，磨損輕微，隱約可見稀疏的軸向摩擦痕跡，這說明送檢活塞桿摩擦面局部存在偏磨現(xiàn)象。從送檢活塞桿疲勞源側(cè)面斷口疲勞源位置觀察，可見疲勞源側(cè)面存在清晰的軸向摩擦痕跡，垂直于摩擦痕跡發(fā)現(xiàn)兩條與斷口面平行的環(huán)向裂紋，長度約為8.5mm。

（3）低倍組織檢查。在斷口下方約16mm處切取平行于斷口方向的環(huán)向低倍組織試片，經(jīng)50%鹽酸水溶液熱腐蝕后，根據(jù)《GB/T 1979-2001結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評級圖》進(jìn)行評級，一般疏松為1.5級，未見中心疏松、錠型偏析、一般點(diǎn)狀偏析和邊緣點(diǎn)狀偏析。在低倍試片上測量淬硬層深度，結(jié)果為淬硬層深度約為4.27mm。

（4）夾雜物和晶粒度檢查。檢測送檢活塞桿淬硬層和基體的夾雜物，檢測可見夾雜物很少，不需要進(jìn)行評級。送檢活塞桿淬硬層和基體的晶粒度圖像，根據(jù)《GB/T 6394-2002金屬平均晶粒度測試方法》進(jìn)行評級，淬硬層為9級，基體為7級。

（5）金相組織檢查。垂直于活塞桿斷口切取疲勞源金相試樣，經(jīng)粗磨、精磨、拋光后得到的金相磨面斷口面，活塞桿疲勞源表面有腐蝕坑。對腐蝕坑的放大像，圖像顯示活塞桿表面發(fā)生腐蝕，可能與活塞桿所處的環(huán)境氣氛有關(guān)。金相磨面經(jīng)腐蝕后的金相組織，從斷口面處疲勞源顯示，活塞桿淬硬層外的淬火馬氏體組織，呈灰白色，說明活塞桿淬硬層發(fā)生了二次淬火，疲勞源正是位于二次淬火區(qū)域內(nèi)，疲勞源處的組織為淬火馬氏體組織。距斷口約15mm處的活塞桿表面裂紋由活塞桿表面萌生、向心部擴(kuò)展；經(jīng)腐蝕后的裂紋萌生于發(fā)生二次淬火區(qū)域的淬火馬氏體組織和上貝氏體+少量回火索氏體混合組織。

（6）硬度測試。表1送檢活塞桿淬硬層洛氏硬度測試結(jié)果，淬硬層表面硬度43.2HRC，淬硬層內(nèi)部硬度為49.7HRC，均低于規(guī)定值要求。表2是送檢活塞桿基體布氏硬度測試結(jié)果，基體硬度平均為254HBS，低于標(biāo)準(zhǔn)值要求。表3是送檢活塞桿基體上貝氏體組織和回火索氏體的顯微硬度測試結(jié)果，上貝氏體組織平均硬度為251HV0.3，回火索氏體組織平均硬度為325HV0.3。

表1 送檢活塞桿催貨層洛氏硬度

表2 送檢活塞桿基體布氏硬度

表3 搜擬建活塞桿基體組織顯微硬度

（7）力學(xué)性能測試。從送檢活塞桿基體中切取3根拉伸試樣和3根沖擊試樣，分別用電子拉伸試驗(yàn)機(jī)和擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，結(jié)果如表4所示，活塞桿的屈服強(qiáng)度處于標(biāo)準(zhǔn)值下限、抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)值要求，斷后伸長率、斷面收縮率和沖擊吸收功均滿足標(biāo)準(zhǔn)值要求。

表4 送檢活塞桿力學(xué)性能測試結(jié)果

（8）化學(xué)成分分析。從送檢活塞桿基體切取Φ30mm×10mm圓片一個和10g分析屑，使用直讀光譜儀、熒光光譜儀和ICP光譜儀進(jìn)行元素成分分析，結(jié)果如表5所示，元素分析結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)值要求。

表5 送檢活塞桿化學(xué)成分

3.討論

送檢活塞桿斷口檢查結(jié)果表明，活塞桿斷口存在疲勞弧線，說明活塞桿屬于疲勞斷裂，疲勞源位于活塞桿淬硬層表面，斷口上瞬斷區(qū)面積較小，說明疲勞裂紋擴(kuò)展時受到的工作應(yīng)力較小。對斷口疲勞源側(cè)面檢查結(jié)果可知，活塞桿表面局部存在軸向摩擦痕跡，并且疲勞源側(cè)面磨損較重，從而引起活塞桿表面產(chǎn)生環(huán)向磨削裂紋，而疲勞擴(kuò)展區(qū)對應(yīng)的活塞桿表面磨損輕微，說明活塞桿存在偏磨現(xiàn)象。對送檢活塞桿的金相組織檢查結(jié)果表明，基體組織為上貝氏體和少量的回火索氏體，硬度測試結(jié)果說明上貝氏體硬度（251HV）明顯低于回火索氏體硬（325HV），活塞桿基體的布氏硬度測試結(jié)果也與上貝氏體硬度基本一致，而42CrMoE鋼正常調(diào)質(zhì)處理后的組織應(yīng)為回火索氏體組織，說明活塞桿調(diào)質(zhì)處理工序出現(xiàn)偏差，應(yīng)與淬火冷卻速度較慢有關(guān)。

對送檢活塞桿的力學(xué)性能測試結(jié)果表明，送檢活塞桿的淬硬層硬度、基體硬度、基體抗拉強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)值要求，基體屈服強(qiáng)度僅處于標(biāo)準(zhǔn)值下限，致使活塞桿中部受到彎矩作用與填料發(fā)生偏磨，對疲勞源的截面金相組織檢查結(jié)果說明，距斷口15mm處活塞桿局部表面由于磨削發(fā)生二次淬火生成淬火馬氏體組織，磨削裂紋萌生于淬火馬氏體組織并向心部擴(kuò)展；疲勞源處的組織為二次淬火后形成的淬火馬氏體組織，淬火馬氏體組織硬而脆、易產(chǎn)生裂紋，在拉壓交變工作應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞斷裂。送檢活塞桿的化學(xué)成分、斷后伸長率、斷面收縮率、沖擊吸收功均滿足標(biāo)準(zhǔn)值要求。

4.結(jié)論

（1）送檢活塞桿斷口屬于疲勞斷裂，疲勞源位于活塞桿淬硬層表面，斷口距活塞桿螺紋端面的長度約為1.39米。（2）送檢活塞桿的淬硬層硬度、基體硬度、基體抗拉強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)值要求，基體屈服強(qiáng)度僅處于標(biāo)準(zhǔn)值下限，致使活塞桿中部受到彎矩作用與填料發(fā)生偏磨，從而萌生磨削裂紋后在拉壓交變工作應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞斷裂。（3）送檢活塞桿的化學(xué)成分、斷后伸長率、斷面收縮率、沖擊吸收功均滿足標(biāo)準(zhǔn)值要求。