十字头销断裂原因分析

董振 赵双双

摘 要：针对某型新氢压缩机运行中十字头销发生断裂破坏情况，对其进行断裂原因分析。

关键词：十字头销;断裂;新氢压缩机

中图分类号：TH457 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）07-0094-02

1 概述

某公司投运转的某型新氢压缩机，在运行10个月左右，振动幅度加大，检查发现十字头销发生断裂，断裂发生于销的中部。断裂十字头销材质为42CrMoE，表面进行了氮化硬化处理，规格为φ240×470mm。为了分析十字头销断裂的原因，现对其进行力学性能、化学成分、金相组织等检验分析。

2 检验和分析

2.1 外观检查

断裂十字头销的实物照片如图1所示，从图中可以看到断口处有掉块。图2为十字头销外侧铜衬套实物照片。从图中可以看到铜衬套经过摩擦、生热，还发生了断裂破损，铜衬套上还有大量小凹坑。铜衬套合金牌号为ZCuSn10Pb1。

2.2 化学成分分析

对断裂十字头销进行了化学成分分析，具体分析结果见表1。表1中同时列出了标准中规定的42CrMoE钢的成分范围。化学成分分析结果表明，十字头销的元素含量在合格范围。

2.3 显微组织分析

2.3.1 宏观组织分析

在该十字头销断裂面附近横截面取样，按照“GB/T 226-2015”，用1：1工业盐酸水溶液腐蚀观察其宏观形貌。依据“GB/T1979-2001”评定，属于一般疏松1级，中心疏松0.5级。符合标准要求。

2.3.2 微观组织分析

（1）非金属夹杂物分析。在断口附近表面取样，磨样、抛光，检测试样的非金属夹杂物。按照“GB/T 10561-2005”进行检测，检测结果见表2。

（2）显微组织分析。在断裂十字头销有裂纹的横截面上取金相试样进行分析，取样部位及样品宏观形貌见图3（a）。图中红框位置为肉眼可见裂纹。样品经过金相磨样、抛光之后使用3%硝酸酒精水溶液进行腐蚀。在500倍下观察，显微组织形貌见图3（b），基体组织为回火索氏体+少量块状铁素体。十字头销表面经过渗氮硬化处理，渗氮层深度约为0.56mm，氮化物级别为1级，脆性1级，氮化前原始组织为1级。氮化层硬度为531HV0.3。氮化层在显微镜下100倍检测照片见图4（a），500倍检测照片见图4（b）。

2.4 扫描电镜分析

2.4.1 十字头销断口分析

断裂十字头销的断口上明显可见疲劳特征：疲劳源区，疲劳裂纹扩展区和最终瞬断区，如图5。掉块处即为裂纹源区，裂纹源区局部放大图见图6（a）。图6（a）中可以看到明显的疲劳弧线，它是疲劳裂纹稳定扩展阶段形成的与裂纹扩展方向垂直的弧形纹。十字头销裂纹源附近销表面照片见图6（b）所示。销面沿环向有铜衬套摩擦的痕迹，并有大量的表面裂纹存在，在图中用红色的线标示出微裂纹。这些表面裂纹产生在主裂纹疲劳断裂之前，也就是说，疲劳裂纹起源于这些表面裂纹。

将裂纹源处放大观察，可以看到大量疲劳条带，即可判定此断口为疲劳断口，见图7所示。

2.4.2 裂纹表面分析

将带有裂缝的金相试样放入扫描电镜，观察十字头销裂纹形貌并检测裂纹内部杂质成分，经能谱分析为铜杂质，检测结果见图8和表3。

2.5 力学性能检测

在断裂十字头销上取样做拉伸、冲击和布氏硬度试验。力学性能试验结果见表4。表4中同时列出了新氢压缩机技术条件要求的标准值，结果表明断裂十字头销力学性能满足标准要求。

3 结语

综上检测结果，断裂十字头销的力学性能、化学成分、金相组织均满足标准的要求，断裂十字头销表面有许多的微裂纹，微裂纹中有铜屑。可能是由于十字头销与衬套偏心发生撞击摩擦，衬套剥落的铜屑进入了裂纹。十字头销断裂原因可能来自于工件安装不良，润滑不好发生了干摩擦，十字头销因此局部过热，在十字头销表面产生了微裂纹，这些裂纹在交变应力下快速扩展最终导致其断裂。

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