某型號空壓機在進行流量摸底測試期間，空載狀態下運行約1 h后突然出現異響，停機檢查后仍能盤車轉動，經拆解檢查發現其曲軸曲拐(靠近皮帶輪端)斷裂。對斷軸后的空壓機進行拆機檢查，發現活塞、活塞環、連桿、軸瓦、連桿螺釘等均沒有明顯受損痕跡。斷裂曲軸外觀如圖1所示。筆者采用一系列理化檢驗方法對曲軸斷裂的原因進行分析，以避免該類問題再次發生。 

圖  1  斷裂曲軸外觀

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

對斷裂曲軸進行宏觀觀察，結果如圖2所示。由圖2可知：斷裂位置為曲柄和連桿軸頸的過渡R處；斷口裂紋源區呈臺階狀，該裂紋源區對應圖紙的R4位置（R角半徑為4 mm的圓角或圓弧處），裂紋擴展區可見貝殼紋，該曲軸斷口呈典型的疲勞斷裂特征。 

圖  2  斷裂曲軸的宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在斷裂曲軸上取樣，對試樣進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：斷裂曲軸的化學成分符合GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》對42CrMo鋼的要求。 

1.3   力學性能測試

在斷裂的曲軸1/3 R處取樣，對試樣進行拉伸試驗，在斷裂曲軸不同部位取硬度試樣，取樣位置如圖3所示，對試樣進行硬度測試。斷裂曲軸的力學性能測試結果如表2所示。由表2可知：曲軸的抗拉強度低于圖紙的技術要求；位置1和斷裂R處的硬度低于調質的技術要求。 

圖  3  硬度試樣取樣位置示意

1.4   掃描電鏡（SEM）分析

將斷口進行清洗后，在斷口處截取試樣，將試樣置于掃描電子顯微鏡下觀察，結果如圖4所示。由圖4可知：斷口裂紋源區呈臺階狀；裂紋擴展區可見大致平行的二次裂紋及疲勞輝紋；最后斷裂區呈韌窩特征，斷口形貌符合疲勞斷裂的微觀形貌特征，裂紋源區R處存在明顯的機械加工車刀紋。 

圖  4  曲軸斷口處SEM形貌

1.5   金相檢驗

截取斷裂部位裂紋源處的剖面試樣，將試樣鑲嵌、磨拋處理后，置于光學顯微鏡下觀察，并測量其R角的半徑，結果如圖5所示。由圖5可知：圖紙上R4位置的R角半徑實測值為2.25 mm，圖紙R3（R角半徑為3 mm的圓角或圓弧）位置的R角半徑實測值為4.18 mm，斷裂部位的過渡R角的半徑明顯小于圖紙要求。 

圖  5  斷裂R角半徑測量結果

裂紋源R處的拋光態形貌可見明顯的車刀紋（見圖6），試樣的顯微組織為回火索氏體+鐵素體（見圖7）。 

圖  6  裂紋源R處拋光態形貌

圖  7  裂紋源R處顯微組織形貌

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結果可知：送檢斷裂曲軸的斷裂部位為曲柄與連桿軸頸的過渡R處，斷口呈疲勞斷裂特征，曲軸的斷裂性質為疲勞斷裂。斷裂曲軸的化學成分符合標準要求，其抗拉強度低于圖紙要求，斷裂R處的硬度低于調質的技術要求。斷裂R處的顯微組織為回火索氏體+鐵素體，說明該曲軸經過了調質熱處理，但R處顯微組織中鐵素體較為明顯，說明其調質熱處理不充分。實際斷裂R處尺寸明顯小于圖紙要求。斷裂R處存在明顯的機械加工車刀紋。 

斷裂曲軸曲柄與連桿軸頸的過渡R處硬度偏低，導致該部位實際的疲勞強度降低，R角半徑偏小，且存在明顯的機械加工車刀紋，增大了該部位的應力集中程度[1]。在曲軸運行過程中，應力集中處萌生了疲勞裂紋，在交變載荷的作用下，裂紋疲勞擴展，最終導致曲軸斷裂[2]。 

對整個曲軸的加工制造過程進行檢查，發現該曲軸熱處理后的力學性能測試試樣選取存在問題，實際操作是從曲軸1/3 R處下料切成小試棒，然后隨爐熱處理后進行力學性能測試，因此在檢驗時，曲軸的力學性能指標均符合圖紙要求。然而，正常的調質熱處理取樣應該是留足延伸段，待整個工件熱處理后，在延伸段的1/3R處取樣。實際操作過程中，先切取小試棒的做法未考慮大工件的淬透性問題，因而導致檢驗過程中未查出曲軸的力學性能問題，從而未能及時發現曲軸的熱處理不充分問題。 

3.   結論及建議

該曲軸的熱處理檢驗試樣選取不當，導致曲軸的力學性能不滿足圖紙要求。斷裂曲軸R處的硬度偏低、半徑偏小，且存在機械加工車刀紋，導致R處的疲勞強度偏低，產生了應力集中，萌生了疲勞裂紋，在交變載荷的作用下，曲軸發生疲勞斷裂。 

建議明確熱處理檢驗取樣要求，留足延伸段，待整體熱處理完后取樣檢驗。提高曲軸R處機械加工質量，避免產生明顯的車刀紋。

文章來源——材料與測試網