压缩机连杆断裂失效分析

杨福伢 任家虎 常德卫

1.中国石化扬子石油化工有限公司 江苏南京 210000；2.化学工业设备质量监督检验中心 江苏南京 210000

某化工厂压缩机2#50 机一段连杆在安装运行13d后突然断裂，导致机组报废停止运行。该连杆材质为42CrMoA，热处理状态为调质处理。其一进压力设计为0.135MPa，运行为0.04MPa；一出压力设计为0.34MPa，运行为0.24MPa；推力为50t。为防止断裂的再次发生，化工厂委托检验中心对其断裂原因进行分析。

1 分析过程与结果

1.1 宏观检验

现场初步勘察发现，连杆断裂于连杆杆身中间位置，裂纹起源于外表面，裂纹源附近可见贝壳状宏观条纹标记及机械磨光标记。裂纹扩展区约占整个断面面积的1/ 2，可见多处二次疲劳台阶，最终断裂区约占整个断面面积的1/ 3，呈剪切唇形貌，断口呈现宏观疲劳特征。如图1 所示。距断口20mm 横向截面处发现1 处表面裂纹，裂纹深度约1.7mm，如图2 所示。

图1 断口处照片（×1）

图2 表面裂纹照片（×8）

1.2 化学成分

连杆样品化学成分分析结果见表1，由表可见，其化学成分符合标准JB/ T6908—2006 对42CrMo 材料的要求。

表1 连杆化学成分分析结果 wt%

1.3 力学试验

连杆样品力学试验结果如表2 和表3 所示，由表可见，其抗拉强度略低于JB/ T6908—2006 对42CrMo 的要求，屈服强度和断后伸长率均符合JB/ T6908—2006 对42CrMo 的要求，室温冲击功满足标准要求。

表2 连杆样品力学性能分析结果

表3 连杆样品室温冲击功 J

1.4 金相分析

连杆样品表面脱碳，金相组织为铁素体+ 珠光体，脱碳层深度金相法测定1.4mm，断口附近脱碳层发现一处平行于断口的表面裂纹，裂纹主要呈穿晶形态，如图3（a）所示。图3（b）所示断口面二次裂纹开裂于组织不均匀处。总脱碳层以下近表面位置金相组织为铁素体+ 贝氏体+回火索氏体，如图3（c）所示；向心部位置继续观察，铁素体逐渐消失，心部金相组织为贝氏体+ 回火索氏体，回火索氏体呈带状分布，为未完全淬透组织，如图3（d）所示。

图3 断口处轴向截面组织形貌

横向截面表面裂纹附近经观察发现3 处裂纹（图4），长度分别为1748.95、1254.05、611.93μm。其中裂纹2、裂纹3 处于脱碳层区，裂纹1 已延伸至正常组织区，裂纹起源的外表面已近于完全脱碳。

图4 距断口20mm 横向截面裂纹形貌

1.5 脱碳层显微硬度测定

对脱碳层显微硬度进行测定，结果见图5。由图可见，总脱碳层深度硬度法测定为1.4mm，距表面0.5mm 内区域硬度严重偏低（138～159HV）。

图5 脱碳层硬度曲线图

1.6 断口分析

连杆断口清洗后，通过扫描电子显微镜进行观察，结果如图6 所示。由图可见，宏观贝纹区发现大量疲劳辉纹，且纹间距较大，为低周疲劳特征。疲劳过渡区（图7）可见疲劳辉纹及二次疲劳台阶。由此判断，该断口为疲劳断裂。距断口20mm 横向截面处表面裂纹间隙内发现疲劳辉纹形貌（图8），说明该处已发生疲劳。

图6 宏观贝纹区断口形貌图

图7 疲劳过渡区断口形貌图

图8 距断口20mm 横向截面处表面裂纹形貌图

1.7 能谱分析

用X 射线能谱仪对样品表面裂纹缝隙内（裂纹1）腐蚀产物进行分析，结果见表4。由表可知，腐蚀产物均以氧 化物为主。

表4 腐蚀产物主要元素分析能谱结果 wt%

2 开裂原因分析

（1）连杆表面严重脱碳，使得连杆表面无法淬硬。金相组织（铁素体+ 珠光体）为非正常调质组织，表面硬度严重偏低，距表面0.5mm 区域内硬度仅为138～59HV，使得连杆表面强度不够，从而导致在疲劳工况下产生多处脱碳层内微裂纹。这些微裂纹是形成疲劳源的敏感部位，距断口20mm 横向截面处表面裂纹间隙内观察到的疲劳辉纹形貌证实了这一点。

（2）热处理工艺不合理，使得连杆整体金相组织（脱碳层以下至心部）出现大量贝氏体组织，而非调质态出现的回火索氏体组织导致连杆的整体强度和硬度偏低。其次，由于淬火加热温度偏低导致的锻造带状组织未消除会造成力学性能的降低，断口面二次裂纹沿带状分布的回火索氏体开裂说明了这一点。

3 结论与建议

（1）连杆表面严重脱碳使得表面强度及硬度过低，在疲劳工况下产生脱碳层微裂纹形成疲劳源，从而造成快速断裂的低周疲劳断裂。有研究表明，脱碳严重影响工件的力学性能，降低工件表层的强度、硬度和疲劳强度，最终会导致连杆在使用过程中过早地发生疲劳失效损坏。压缩机连杆生产过程中可通过打磨、机加工等方法去除脱碳层，或在热处理过程中控制脱碳层深度。连杆出厂检验需关注表面硬度，当表面硬度低于标准要求时需检验工件脱碳层。

（2）热处理工艺不当导致连杆整体强度和硬度偏低，且未能消除影响力学性能的锻造带状组织。可通过加快淬火冷却速度，提高淬火加热温度来改善。