活塞杆断裂失效分析

第36卷增刊Vol.36Sup.2011年9月HEATTREATMENTOFMETALSSeptember2011活塞杆断裂失效分析万佳蔡亚萍(四川省机械研究设计院,四川成都，610063)摘要：某压缩机活塞杆使用约三个月发生断裂。利用化学分析、宏观断口分析、显微组织和显微硬度分析、扫描电镜及能谱分析等方法进行了分析。结果表明，该活塞杆在断裂面附近有周向分布的磨削裂纹；磨削裂纹在活塞杆运行过程中受交变应力而扩展；活塞杆内部有较多聚集分布的柱状AlN非金属夹杂物并且金相组织较粗大，降低了材料强度同时也使得裂纹易于扩展。关键词：磨削裂纹；ALN；断裂中图分类号：TG142.4文献标志码：AFailureanalysisofpistonrodWANJia,CAIYa-ping(SichuanProvincialMachineryResearch&DesignInstitute，Chengdu,610063)AbstractAbstractAbstractAbstract:Acompressorpistonrodfracturedafterservicedabout3months.Chemicalanalysis,macro-fractureanalysis,microstructureandhardnessanalysis,scanningelectronmicroscopyandEDSanalysiswereusedtoinvestigatethefailurecauses.Theresultsshowthatnearthefracturesurface,therearemanycircumferentialgrindingcracksonthepistonrodsurface,thegrindingcrackspropagatedunderalternatingloadinoperation;therodmicrostructureisbulkyandhasmanyaggregatedcolumnarAlNinclusionswhichwilllowerthematerialstrengthandcrackextensionresistance.KeywordsKeywordsKeywordsKeywords:grindingcrack;ALN;fracture1引言某厂的250吨二氧化碳压缩机在累计运行时间约三个月时，即发生活塞杆断裂事故。该活塞杆材料为38CrMoAlA钢锻坯，经粗车—调质—精车—氮化—磨外圆—磁探等工序。故为此进行原因分析。2理化检验2.12.12.12.1裂纹宏观形貌该活塞杆断裂部位如图一所示。图1活塞杆断裂部位示意图Fig.1Schematicdiagramofthepistonrodfracturesite该活塞杆断裂面位于光杆部位，距左端约970mm。其外圆面纵向有机械划痕和烧伤痕迹，长度约500mm，分布于断口两侧，尤以靠活塞端较严重。根据图纸分析得出，活塞杆光杆部位的纵向机械划痕和烧伤痕迹是与填料盒摩擦所产生的。如图2、图3。___________________收稿日期：2011-8-12作者简介作者简介作者简介作者简介：万佳（1979-），女，四川省机械研究设计院，工程师，从事机械工业材料理化检验及失效分析工作，E-mial:[e-mail],联系电话：[phone]增刊万佳，等：活塞杆断裂失效分析343图2断口形貌约0.1XFig.2Fracturesurface该活塞杆断面平直。在断面两侧的杆部圆周上，均可见多道等距分布的周向裂纹，断裂面与周向裂纹吻合，如图3、图4。图3断口形貌约0.2X图4图3断口局部形貌裂纹源区的周向裂纹约0.5XFig.3FracturesurfaceFig.4FigurethreefracturemorphologyoflocalSourceareaofthecircumferentialcrack2.22.22.22.2化学成分分析样品的化学成分分析结果见表1。表1样品的化学成分（W%%）元素CSiMnPSCrMoAl检测值0.3560.3040.2930.0180.0051.490.1940.85标准值0.35-0.420.20-0.450.3-0.6≤0.03≤0.031.35-1.650.15-0.250.70-1.10检测结果表明，该活塞杆的化学成份符合标准要求。2.32.32.32.3显微硬度测试样品的显微硬度测试结果见表2。表2样品的显微硬度深度/mm0.100.250.400.55心部HV0.2766701399286244250250换算为HRC63.060.041.529.523.524.524.5氮化层深度约0.55mm，符合设计要求。2.42.42.42.4光镜（LMLMLMLM）分析2.4.1裂纹形貌在裂纹源区部位取样，肉眼可见其纵截面上分布三条基本等距、等深的裂纹，如图5、图6。图5约1.2X纵向图6图5中裂纹的放大Fig.5VerticalFig.6Figurefivecracksenlarge第36卷344进一步观察可见，裂纹开口较宽，尾部弯曲，且两侧伴随有与裂纹扩展方向一致的毛刺，如图7—图8。以上特征表明，此裂纹初期为磨削裂纹，然后在应力下有小的疲劳扩展。裂纹的扩展趋势与主应力方向垂直。磨削裂纹形成机理为：活塞杆在往复运动中受到较大的磨削作用，温度剧烈升高，表层温度高达300℃，发生回火烧伤，产生磨削裂纹。图745X裂纹2图845X裂纹3Fig.7Crack2Fig.8Crack32.4.2金相组织38CrMoAlA是我国典型的氮化钢，由于钢中Al的存在，含铝铁素体不易转变为奥氏体，加之难以扩散均匀，因此，含Al氮化钢的淬火加热温度较高。氮化钢淬火后高温回火的温度应比氮化温度高，目的是保证氮化钢的心部性能。该样品的金相组织为保持马氏体位相的回火索氏体，组织较粗大，参照ZJ/GQ·T1149-89《机床用38CrMoAl钢验收技术条件及调质后金相检验》标准，其调质后显微组织等级评定为：5级，如图9—图10。图9表面组织500X图10心部组织灰色颗粒为非金属夹杂物(500X)Fig.9SurfaceofthetissueFig.10CentertissueGrayparticlesasinclusions样品表面组织有深色回火带，裂纹平直段深度基本与其相等，裂纹两侧组织无异常，如图11。图11裂纹2口端组织100XFig.11Cracktwoport-sideorganization增刊万佳，等：活塞杆断裂失效分析3452.4.3非金属夹杂物分析非金属夹杂物是钢在冶炼过程中参与物化反应的金属元素与非金属元素相互作用生成的产物。该样品的非金属夹杂物特征为：颗粒细小，数量较多，呈柱状聚集分布，如图12-图13。图12柱状非金属夹杂物500X图13点状及柱状非金属夹杂物（呈条带状分布）500XFig.12CylindricalinclusionsFig.13Point-likeandcylindricalinclusionsBandeddistribution2.52.52.52.5扫描电镜（SEMSEMSEMSEM）及能谱分析采用JSM-5900LV扫描电镜进行断口分析。断裂面上可见多处柱状非金属夹杂物呈聚集分布，如图14。图14SEM断口上呈柱状聚集分布的非金属夹杂物Fig.14SEMAggregateddistributioninthefracturesurfaceofcylindricalinclusions图片14说明，该活塞杆断口上有较多柱状非金属夹杂物堆积，其形式较罕见。对夹杂物进行能谱分析后得知，该柱状夹杂物成份为氮化铝（AlN），如图15。据资料介绍，其产生的主要原因是钢中残余铝量过多,钢液中的残余铝，在钢锭的凝固与降温过程中与钢中的氮化合，以微细的氮化铝形式析出在粗大铸造晶粒的晶界上，在以后的热加工过程中，高温加热虽然氮化铝会发生溶解，但在其后的冷却过程中，它又将大部分析出并聚集在晶界上，由于热加工过程的变形，致使氮化铝沿晶界呈条带状分布。在折断时，可能沿着这种AlN密集的条带断裂。由于非金属夹杂物破坏了金属材料的连续性，形成内部裂纹源，极大地降低了材料强度，并导致了裂纹快速扩展。第36卷346图15夹杂物能谱分析图Fig.15Energyspectrumanalysisdiagramofinclusions3结论1)该活塞杆断裂面附近分布多条等深、等距的周向裂纹，且表面具有回火带，属磨削裂纹。生产厂在对活塞杆进行磁粉探伤时，因采用的是周向磁化法，故使得该裂纹未被检出。在压缩机运行过程中，交变的机械应力以表面磨削裂纹为疲劳源并沿主应力垂直方向扩展。2)该活塞杆38CrMoAlA钢化学成份符合标准要求。由于杆钢内部有较多柱状AlN夹杂物呈聚集分布，在夹杂物的棱角处，形成诸多内部裂纹源，极大地降低了材料强度，并导致了裂纹快速扩展。3)该活塞杆钢的组织较粗大，调质后显微组织等级评定为：5级，也使得裂纹易于扩展。参考文献[1]徐修炎.钢铁件热加工技术及质量控制[M].重庆:四川科学技术出版社,1986.[2]冶金工业部钢铁研究院.合金钢断口分析金相图谱[M].北京:科学出版社,1979.名称：AlN元素：N，O，Al，FeW%N45.905O1.587Al48.934Fe3.574