压缩机曲轴运动中断裂的失效分析

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1、压缩机曲轴运动中断裂的失效分析摘要压缩机曲轴是压缩机中的一个非常重要的关键件，曲轴的质量直接关系到产品的质量。我公司4V21型产品的曲轴在旋转运动过程中，由于曲拐颈圆角处应力集中，产生疲劳源，运动中疲劳裂纹不断扩展，最终导致疲劳断裂，形成与轴线呈45°角的断面。本文对其裂纹的产生和扩展机理进行了较详细的分析阐述。关键词曲轴；应力集中；疲劳断裂中图分类号TB652文献标识码A文章编号1674-6708（2014）114-0208-02我公司生产的4V21型压缩机是我公司的一个主导产品，曲轴是压缩机零件中的关键件之一，其质量是压缩机质量的重要体现。但是，近几年该产品的曲轴发生

2、了几次断裂，发生断裂的曲轴服役时间多为几个月，有的甚至更短，给用户和公司都带来重大损失，于是对发生断裂较典型的曲轴进行了失效分析，分析断裂原因并加以解决。曲轴作为关键件是用45钢锻件制成的，从加工工艺逐步检查分析认为每一加工工步都是严格按照各加工工艺规程进行的，没有明显能造成失效的证据。于是对失效曲轴进行了以下试验分析。1外观检查5断口是从曲拐颈圆角处开始的，断面与轴线呈45°角方向断面，断口有两个贝纹状的裂纹源，裂纹源在r圆角处。裂纹源区有明显的台阶，这是高周应力疲劳的特征，断口有明显的贝纹线扩展区和放射状的最后断裂区。扩展区和最后断裂区比例为2：3，仔细观察可见贝纹线

3、的密度随裂纹扩展发生疏――密――疏的变化。断口表面呈现光亮象细瓷断口一样。且有摩擦挤压的痕迹。2试验分析2.1硬度试验用里氏硬度计测量曲拐颈表面洛氏硬度值为HRC54～57，符合高频淬火工艺要求的硬度为HRC50～58的技术要求；拐颈两端距过渡圆角6mm～7mm处测得硬度值为HRC28～31，这是曲轴调质时的硬度范围。是由于受淬火线圈的局限引起的软带。2.2断口低倍试验将断口的一端取样做酸式低倍试验：按《GB226-1991钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》试验要求把试样浸入1：1的盐酸水溶液中，加热到80℃，保温20min。观察低倍组织结构对照标准《GB1979-1980结

4、构钢低倍组织缺陷评级图》评定为：一般疏松：1级，未发现有其他缺陷，低倍组织属正常。2.3化学成分分析从断口取样进行化学成分分析，结果判定材料为45钢。52.4机械性能试验2.5金相试验在断口横断面上取一块金相试样，在显微镜下用100×和500×倍观察，金相组织为轴表面是针状马氏体，心部为回火索氏体。参照标准《YB/T5148-1993金属平均晶粒度测定法》评定晶粒度等级为6～7级，皆属正常组织。3分析讨论上述试验从低倍、机械性能、金相组织及化学成分几个方面进行了分析试验结果表明，材料是合格的，材料的金相组织及机械性能都能满足设计要求，所以材料本身不是造成曲轴断裂的主要原因

5、。而引起曲轴断裂的主要原因经分析应是应力集中造成的疲劳裂纹。从断口实物上可以观察到两个裂纹源都存在在拐颈过渡圆角处，裂纹扩展区与最后断裂区相比面积较小，可以断定名义应力较大，且有高度的应力集中。最后断裂区面积大，呈撕裂状，这是由于曲轴受很大扭矩作用，加载速度又快，曲轴所受过载程度很大造成的。又由于曲轴在疲劳断裂过程中贝纹区反复挤压，摩擦使断口表面变得非常光亮。从宏观断口中出现的贝纹线疏密的变化可以证实疲劳源区存在高应力，贝纹线反映的是交变载荷幅度的变化，每条贝纹线都是一次开机、停机造成的裂纹扩展宽5度。在运转条件大体相同的情况下，如果曲轴没有内应力，贝纹线密度随裂纹加深，

6、应是单调的变疏。但是实际断口上贝纹线密度的变化是疏――密――疏，这只能解释为疲劳裂纹发生时，由于附加的拉伸内应力，使裂纹扩展较快，而随着裂纹的扩展，内应力松驰，作用于裂纹扩展的应力变小，裂纹扩展变慢。而后随裂纹加深，应力变大，裂纹扩展加快，直至最后的断裂。5断口的另一个特征是沿拐颈与曲轴轴线呈45°角断裂，而且有明显的台阶，是属于高周疲劳断裂。这是因为曲轴圆角处存在疲劳源。曲轴的形状比较复杂，特别是拐颈圆角处，容易形成应力集中（如曲轴的机加工质量等因素）。而高频淬火在拐颈处不可避免在形成8mm～10mm软带，使拐颈圆角处淬不上火，造成硬度上软硬不均，这样高频淬火后，使得圆

7、角处恰好处于淬火残余应力的拉应力区，这是疲劳裂纹核心产生的发源地。另外曲轴设计时都是用经验公式推导应力集中值，即用拐颈中间直段的最大应力值乘上系数作为圆角处的估算应力值，这种估算非常粗略，而实际圆角处的应力比拐颈中间直段的应力高得多，究竟高多少是无法计算的。另外，高频淬火前的机加过程中，如果加工质量粗糙，圆角过渡不好，会造成应力集中，高频淬火后形成严重的淬火残余应力。此时，如果圆角处有非常微小的缺陷，裂纹端的应力比远离裂纹处的应力要大得多，由于曲轴是循环运转，所以也就周期性反复出现高应力峰值。裂纹尖端的局部区域或在每一个高应力