楊福伢 任家虎 常德衛(wèi)

1.中國石化揚子石油化工有限公司 江蘇南京 210000；2.化學(xué)工業(yè)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)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(dǎo)致機組報廢停止運行。該連桿材質(zhì)為42CrMoA，熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)處理。其一進壓力設(shè)計為0.135MPa，運行為0.04MPa；一出壓力設(shè)計為0.34MPa，運行為0.24MPa；推力為50t。為防止斷裂的再次發(fā)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(jié)果

1.1 宏觀檢驗

現(xiàn)場初步勘察發(fā)現(xiàn)，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(qū)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(qū)約占整個斷面面積的1/ 3，呈剪切唇形貌，斷口呈現(xiàn)宏觀疲勞特征。如圖1 所示。距斷口20mm 橫向截面處發(fā)現(xiàn)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(xué)成分

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

表1 連桿化學(xué)成分分析結(jié)果 wt%

1.3 力學(xué)試驗

連桿樣品力學(xué)試驗結(jié)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(xué)性能分析結(jié)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(fā)現(xiàn)一處平行于斷口的表面裂紋，裂紋主要呈穿晶形態(tài)，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?？偯撎紝右韵陆砻嫖恢媒鹣嘟M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(xù)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(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)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(qū)，裂紋1 已延伸至正常組織區(qū)，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(jié)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(nèi)區(qū)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(jié)果如圖6 所示。由圖可見，宏觀貝紋區(qū)發(fā)現(xiàn)大量疲勞輝紋，且紋間距較大，為低周疲勞特征。疲勞過渡區(qū)（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(nèi)發(fā)現(xiàn)疲勞輝紋形貌（圖8），說明該處已發(fā)生疲勞。

圖6 宏觀貝紋區(qū)斷口形貌圖

圖7 疲勞過渡區(qū)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(nèi)（裂紋1）腐蝕產(chǎn)物進行分析，結(jié)果見表4。由表可知，腐蝕產(chǎn)物均以氧 化物為主。

表4 腐蝕產(chǎn)物主要元素分析能譜結(jié)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(diào)質(zhì)組織，表面硬度嚴重偏低，距表面0.5mm 區(qū)域內(nèi)硬度僅為138～59HV，使得連桿表面強度不夠，從而導(dǎo)致在疲勞工況下產(chǎn)生多處脫碳層內(nèi)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(nèi)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(xiàn)大量貝氏體組織，而非調(diào)質(zhì)態(tài)出現(xiàn)的回火索氏體組織導(dǎo)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(dǎo)致的鍛造帶狀組織未消除會造成力學(xué)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(jié)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(chǎn)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(xué)性能，降低工件表層的強度、硬度和疲勞強度，最終會導(dǎo)致連桿在使用過程中過早地發(fā)生疲勞失效損壞。壓縮機連桿生產(chǎn)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(guān)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(dǎo)致連桿整體強度和硬度偏低，且未能消除影響力學(xué)性能的鍛造帶狀組織?？赏ㄟ^加快淬火冷卻速度，提高淬火加熱溫度來改善。