某化工厂一台4M32型焦炉气压缩机在连续工作时发生主轴瓦温度超出正常允许范围，系统连锁停车，检查发现靠近电机侧一段十字头销断裂。该十字头销材料为20Cr，工艺路线为锻造毛坯→正火→粗车→超声探伤→精车外圆及两端面→渗碳→钻孔→正常化处理→喷丸→淬火→回火→磨外圆→磁粉探伤。十字头销外圆ф140mm，中心孔ф30mm，在两端及中间各有一对相互垂直贯通的油孔6-ф10mm。为了查清十字头销断裂的真正原因，本文对断裂的十字头销从宏观断口形貌、化学成分、力学性能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

    断裂位置发生在十字头销约1/2长度处， 其断口中间部分垂直于十字头销轴线，且中间平，两侧凸，整个断口没有明显的宏观塑性变形，如图1（1）所示，在断口上可以看到两个相反位置的疲劳区域，属于典型的双向弯曲疲劳断口：在右侧径向油孔与外圆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，扩展区投影面积约占断口面积的1/2，凸起部分与十字头销轴线大约呈60°，平坦部分隐约可见弧形推进线；在左侧径向油孔与外圆过渡处也发现有金属疲劳源，及向内扩展的贝壳状疲劳延伸线，扩展区与十字头销轴线大约呈40°，其投影面积约占断口面积的3/10；最终瞬断区位于中间偏左，长约22 mm，表面粗糙，其面积约占断口面积的1/5。从两侧的扩展区面积来看，两个疲劳核心并非同时产生，扩展速度也不一样，所以断口上的两个疲劳扩展区不完全对称，失效首先从右侧的疲劳源开始，并逐渐向周围扩展。另外，由瞬断区所占比例可以看出该十字头销所受应力集中程度不是很大，说明在设计上没有问题。对疲劳源附近的油孔与外圆表面的过渡处进行观察，可看到有粗糙的车削刀痕，如图1（2）、（3）所示，对其进行测量，结果为倒角1.5×30°mm，而设计要求为R3mm，此处没有圆弧过渡，会导致应力集中现象增大。而粗糙刀痕使过渡处形成许多凹槽和尖角，易在该处形成严重的应力集中现象，于是在该处形成疲劳源。

          （1）                   （2）                     （3）

图1  十字头销宏观断口形貌

Fig.1  Fracture macrograph of cross head pin

1.2  化学成分检验

    在断口表面沿径向，距离内孔和外圆表面各约1/3壁厚处选两点，用PMI-MASTER PRO移动式全谱火花直读光谱仪进行化学成分检测，结果见表1。显然，其化学成分符合JB/T 6908—2006《容积式压缩机用钢锻件》标准中20Cr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

    在十字头销靠近断口处采用电火花线切割方法取样，沿纵向切取，其横截面为1/2壁厚处，同时留有足够的车、磨削加工余量，并按规范加工成标准试样后，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，符合JB/T 6908—2006《容积式压缩机用钢锻件》标准要求的标准值，故应排除由于力学性能不符合要求而造成断裂这一因素。

表1  20Cr十字头销化学成分(质量分数，%)

Table 1  Chemical composition of the 20Cr cross head pin (wt%)

表2  十字头销试样力学性能

Table 2  Mechanical properties of the cross head pin samples

1.4  硬度检测

    在HR-150A型洛氏硬度计上测试十字头销外圆表面硬度，其结果为60、61HRC,符合图纸57～67HRC的硬度要求；在断口面上用HL-80型里氏硬度仪测试十字头销心部硬度，其结果为215、202、197HB；在金相试块背面上用HB-3000型布氏硬度计测试，其结果为209HB,均符合JB/T 6908—2006《容积式压缩机用钢锻件》标准所规定≥190 HBS的要求。

1.5  显微组织分析

    自断口平坦表面向下采用电火花线切割方法取样50×10×10mm，并按制样规范制备金相试样，用4%硝酸酒精侵蚀后，在光学显微镜下观察，如图2所示，晶粒度大于6级，图2（1）为渗碳区靠近外圆处的显微组织：回火马氏体加块状碳化物，图2（2）为渗碳区向心部过渡处的显微组织：半马氏体，图2（3）为靠近心部的显微组织：铁素体加珠光体，属于正常的组织变化；渗碳层厚度为1.4mm，符合图纸≥1.2mm的技术要求。

       （1）           （2）           （3）

图2  十字头销试样的显微组织    ×100

Fig.2   Microstructure of cross head pin   ×100

2  结论与建议

    依据上述分析结果，十字头销在双向弯曲应力作用下产生疲劳断裂，其两个疲劳源区在油孔与外圆表面过渡处，最终瞬断区在中间，属于典型的双向弯曲疲劳断裂。其断裂失效的原因如下：

    1) 油孔与外圆表面过渡处没有按图纸要求加工R3mm圆角而是加工为较小的倒角且倒角表面粗糙，有明显的凹槽和尖角，形成应力集中现象；在淬火工序，生成向内延伸的微小裂纹。因十字头销运行时其中间截面上的弯曲应力最大，故中间油孔处裂纹优先快速扩展，最终导致疲劳断裂。这是十字头销断裂的主要原因。

    2) 在十字头销的外表面上有少许平行的磨损沟槽，说明当裂纹扩展到一定程度后，造成运行中润滑不良，油膜被破坏，导致销与衬套干磨，在销的表面形成局部的扭转应力，加速了十字头销的疲劳断裂。

鉴于以上因素，特提出以下改进建议：

    1)机加工必须严格按照图纸及工艺要求进行，确保油孔与外圆表面过渡圆角及表面粗糙度符合要求，并加强对该部位加工质量的检查。

    2) 在淬火前，热处理操作员应检查油孔与外圆表面过渡处，尤其是中间2个油孔的4个过渡处应满足图纸要求，否则返修。

    3)十字头销加工完毕后，不应仅进行周向磁粉探伤，应进行轴向和周向复合磁化，重点检查外圆表面和油孔与外圆表面过渡圆角处。

    4)在装配十字头销时，应让油孔与水平方向成45°，以避免最薄弱处承受最大载荷。

    5)使用方应注意润滑油的油压变化，当油压显示超出正常范围时，应立即停车检查，以避免造成质量安全事故和较大损失。

参考文献：

    [1] 庄  森, 丁少华, 文立刚. 45钢压缩机曲轴断裂分析[J].金属热处理, 2011, 36(9): 122-123.

    [2] 周志勇, 丁毅. 往复式压缩机连杆螺栓断裂原因分析[J].金属热处理, 2011, 36(9): 126-128.