某化工厂一台二氧化碳压缩机在连续工作时发生曲轴突然断裂事故。该曲轴材料为45钢，处理过程为锻造后正火。为了查清曲轴断裂的真正原因，笔者受委托对该断裂的曲轴从宏观断口形貌、化学成分、力学性能、超声波探伤及显微组织等方面对其失效原因进行了分析。
1 试验结果与分析
1.1 宏观断口分析
断裂位置发生在曲轴的曲拐径上，其断口大部分垂直于曲拐径轴线，且中间凹，周围凸，中间部位有金属光泽，整个断口没有明显的宏观塑性变形。最终瞬断区与曲拐径轴线大约成30°角，长约250 mm；表面粗糙，并伴有明显的点状金属光泽，其投影面积约占断口面积的1/7；在曲拐臂与曲拐径过渡处发现有金属疲劳源，且有向内扩展的贝壳状疲劳延伸线，由此可以看出该曲拐属于疲劳断裂(见图1)。另外，由瞬断区所占比例可以看出该曲轴所受应力集中程度不是很大，说明在设计上没有问题。
图1 曲轴宏观断口形貌
Fig.1 Fracture macrograph of the crank shaft
1.2 化学成分检验
在断裂处取样进行化学成分检验，结果见表1。显然，其化学成分符合45钢要求。故应排除由于材料成分不符合要求而造成断裂这一因素。
1.3 力学性能测试
在曲拐径靠近断口处取试样，沿纵向切取，其横截面为1/3R处，制成标准试棒后，在WE-30型液压式万能材料试验机上测试，其结果如表2所示。由表2可知，其屈服强度、冲击性能及硬度均小于要求的标准值，说明其抗拉强度、冲击韧度、硬度均不能满足设计要求。
表1 曲轴化学成分(质量分数，%)
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1.4 超声波探伤
用直接接触法对该曲轴进行超探，发现在曲拐臂、曲拐径处存有缺陷，缺陷反射量相当Φ2~Φ3平底面当量，埋藏深度距曲拐臂一侧表面60~170 mm之间，并构成缺陷密集，其缺陷密集区占检测总面积的百分比已超出JB/T 6908—2006《容积式压缩机用钢锻件》标准所规定的要求；同时在探伤过程中还发现该曲轴伴有声衰减严重现象，甚至还出现过一次底波不满饱合的现象，说明该曲轴组织存在严重粗晶。
1.5 显微组织分析
试样取自距断口30 mm的曲拐径处，用4%硝酸酒精侵蚀后，在光学显微镜下观察，发现组织异常粗大，晶粒度大于1级，基体为珠光体加沿晶界析出并向晶粒内扩展的针状铁素体，且伴有较为明显的魏氏组织，魏氏组织达4级(见图2)。晶粒粗大和魏氏组织都是金属过热的产物。魏氏组织是亚共析钢中，由于加热温度过高，保温时间过长(即发生过热现象)使钢的奥氏体晶粒粗大，加之在A3→A1温度区间冷却速度较快，铁素体不能充分沿奥氏体晶界析出，而是在过饱和的奥氏体晶粒内沿一定的晶面上析出，并与旧相奥氏体保持一定结晶位向关系的先共析铁素体或渗碳体。晶粒粗大及魏氏组织出现后，钢的韧性显著降低，脆性增加。
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图2 曲轴试样的显微组织 ×100
Fig.2 Microstructure of the crank shaft ×100
2 结论与建议
依据以上结果，该曲轴断裂失效的原因如下：
1) 由于热加工不当，该曲轴基本组织呈过热形态，没有得到应有的片层间距较小的珠光体组织，却出现了晶粒粗大和较为明显的魏氏组织，这些非正常组织大大降低了钢的塑性和冲击韧性，直接削弱了曲轴的力学性能，使之达不到设计时的要求，在交变载荷作用下，极易诱发金属疲劳，造成早期失效。这是曲轴断裂的主要原因。
2) 由于正火后，没能消除锻造中产生的过热缺陷(晶粒粗大及伴有魏氏组织)，也没有达到细化组织的效果，说明正火过程是失败的，没能按正确的正火工艺操作，这是曲轴断裂的另一原因。
鉴于以上因素，特提出以下改进建议：
1) 钢在冶炼、热扎时要严格按照工艺要求去操作，要充分脱氧，并控制好加热温度和冷却速度，以避免出现晶粒粗大和魏氏组织。
2) 合理选择锻造比。锻造加工可以矫正晶粒粗大、魏氏组织等缺陷，但是锻造比不合适时，往往达不到预期的效果。根据钢锭锻造比与力学性能的关系，对45钢应取锻造比2~3。
3) 在曲轴正火处理时，要严格控制加热温度、保温时间，通过正确的热处理工艺[1]，以得到片层间距较小的珠光体组织，确保曲轴具有良好的综合力学性能。
4) 如有可能，可进行调质处理，这样会提高曲轴的力学性能。
后与委托方、加工方沟通，按上述建议重新制造一根曲轴，经检验各项指标合格，至今在委托方使用良好。
参考文献：
[1] 卢银德. 大型锻件的热处理工艺[J]. 金属热处理, 2004, 29(4): 47-49.
[2] 庄 森, 卢银德, 文立刚. 螺杆钻具传动轴断裂分析[J].金属热处理, 2005, 30(6): 88-89.
作者：庄森