真空泵连杆螺栓和循环机活塞杆的疲劳断裂

　　型真空泵连杆螺栓失效分析某厂购进的台你型真空泵，使用周后，就有台发生连杆和侧连杆螺栓断裂事故，个月后，台真空泵的连杆和连杆螺栓均发生断裂，为此进行失效分析。

　　1.1连杆螺栓断口的宏观形态螺栓断裂均发生在中部，即在连杆大头盖轴瓦的拼接处，没有明显的塑性变形，断口的宏观形貌为脆性平断口。

　　裂纹源发生在面附近的六处该处有擦伤痕迹。裂纹源区有明显的两个台阶。18处可到明显的贝纹状弧线，贝壳纹以裂纹源为中心呈波浪状地向前扩展，这就是疲劳条纹，所以是疲劳引起的断裂。由疲劳区继续扩展就出现放射状棱线，放射方向与裂纹扩展方向平行，并逆指向裂纹源，这时标志着裂纹由缓慢扩展向快速的不稳定扩展转化，最后在占截面积约20时，裂纹扩展到靠近了面，此时平面应力状态占优势，瞬时破断而出现了两对剪切唇阴影区。

　　由于螺栓开始破坏后引起形变，应力突然升高，因此疲劳破断民较小，而瞬时破坏冈很大。

　　1.2连杆螺栓断口的微观形貌疲劳源区是疲劳纹形貌，疲劳扩展区有以疲劳源为焦点的放射线痕，可以看到很多长形撕裂岭的脆性断口，类似准解理断口的形貌。

　　快速扩展区的断口形貌带有许多断裂小平面和次裂纹，在终断区，应力振幅达到或超过材料的屈服极限，断口显微特征为撕裂型微坑。

　　1.3螺检的成份硬度与金相分析经光谱分析，螺栓的化学成份中含碳4含铬93，对应的材质为40，捕炔，材料经调质处理，其金相组织为，火尜氏体，在有些区域存在少鲎片状铁素体。材料中非金属夹杂物很少，面无淬火裂纹。疲劳裂纹±要是里现穿晶扩展。裂纹的端部比较圆钝。

　　1.4连杆大头盖和连杆螺栓那个先断观察发现螺栓断口为无宏观塑变的平断口，上有贝壳纹，最后断裂部位是剪切形成的，与平断口呈45，是典型的疲劳断口，而连杆大头盖的断口宏观塑变不大，类似冲击断口。

　　因此是螺栓先发生疲劳断裂，使连杆盖松开，导致连杆盖撞击缸体等原因而折断。

　　1.5螵栓的断裂失效分析材料的疲劳强度不足连杆螺栓在拉压剪切等交变应力作用，面由丁应力集中而形成疲劳核心。疲为裂纹般发生在局部应力最高以及周部强度最低的区域，循环加载使金属面产生滑移带。显微裂纹沿滑移带的主滑移面向内部发展，使螺栓的有效截面逐渐减小，当剩余截面不能承受作用应力时，螺栓就被拉断。因此材料的疲劳强度很大程度上取决于屈服强度。材料的屈服强度较低时，容易在疲芳过程中过早地出现滑移带，并在驻留滑移带或挤出挤入处萌生疲劳裂纹。

　　迮杆螺栓常采用40经调质处理，认为这样可具有最佳的综合机械性能，但实际往往因疲芳断裂而失效。根据测定，迕杆螺栓的化学成份显微组织和硬度都基本符合调质处理件下提疲芳极限7，是否可以采用热处理的方法适当提高材料的面强度与硬度。假如将硬度从曰，23提高到曰，0，可使也相应提高倍左心。因为对钢来说拉乐时的疲芳极限70.287，扭转时的疲穷极限0.24，闪此相应地疲劳极限也可提高约倍。

　　当然材料的强度和韧性指标通常是有1盾的，闵此必须在保证具有必需的韧性的前提下，尽量提高材料的抗疲劳性能。此外，采用面渗碳面薄壳淬火面滚压及面，光处理等强化方法，也能提高螺栓的疲究破坏抗力。

　　可能是螺栓上得过紧，预紧力太大所致螺栓作为紧固件时。预紧力的大小通常应大7设备1作时螺栓承受的载荷，以保证联结体的紧固状态；预紧力通常应小丁螺栓的屈服强度。以预紧力户。拧紧的螺栓，承受着拉应力及扭转切应力。当预紧力过大时，等1增加了外加负载，如果是受轴向交变载荷的螺栓，此时就易亍发生疲劳破坏。

　　连杆螺栓的断裂如果仅是材料上的原因，那末连杆盖上的两个螺栓都会发生不同程度的损坏。现在却只断只，闪此这只螺栓是冈为上得过紧，引起平均应力7，增高，在螺栓的强度储备不足的情况，导致疲劳断裂的可能性最人。

　　因此应按规定力矩拧紧螺帽，当残余伸长超过0.20.螺栓度时，连杆螺栓必须更换。

　　可能由丁螺栓安装不妥，引起了偏载安装不妥或作过程中存在偏载时，就会附加弯曲应力，引起应力过大。如螺栓头及螺母端面勾连杆人头支承面接触不均，可使螺栓受到比止常轴向载荷人数倍的额外弯曲和轴向可用涂色法检查螺栓头和螺帽端面与支承面的接触，接触点断开的弧线长度不许超过圆周的18.

　　如果连杆安装时间隙不合适，如发生过热烧研抱轴等现象，也会导致连杆螺栓工作应力增高，引发螺栓疲劳断裂。

　　1.6结论根据断口的宏观和微观形貌，连杆螺栓的断裂是属于高周次疲劳断裂。

　　断裂的原因是由丁材料的强度储备不足，而在。作中却承受着繁重的冲击疲劳载荷，因此假如在预紧力过大，又可能有偏载的情况下，很容易造成1作应力大于疲劳极限，因而发生早期疲劳断裂。

　　可以采用改善热处理条件增加面强度等方法来提高材料的抗疲劳性能；同时在安装中必须注意适当的预紧力和防止偏载，也要注意连杆在安装时的间隙。

　　2有关5号循环机活塞杆断裂事故失效分析某厂合成车间5号循环机后封头活塞杆发生突然断裂，高压气流冲出引起着火，造成局部短时间停产。该活塞杆材质为380，实际使用时间为365天。使用前经磁粉探伤合格。根据生产操作记录，断裂前生产操作正常，未发现有压力或介质成份波动等不正常现象。现对断裂的活塞杆进行失效分析。

　　2.1断裂形貌和电镜分析断裂部位是在活塞杆装活塞的螺纹部，最后牙的根部断口没有明显的塑性变形，宏观形貌为脆性平断口。其基本形貌是断裂初期由下裂纹多次张合造成了机械磨光所致；在8处有明显的波纹状贝壳纹；在，区是裂纹的稳定扩展区，面较平坦，断口呈灰色，在上面隐约可放射状棱线，两侧比中间要明显，显了裂纹的走向；处有数条较明显的弧线F处为瞬断区，约占断面的43，面粗糙，呈暗灰色。

　　用0，5，2扫描电子显微镜作断口形貌分析。裂纹源区的金属组织破碎严重，紧靠裂纹源的疲劳扩展区有明显的贝壳状弧线。裂纹扩展区能看到疲劳沟线的存在，微观断口形貌为准解理断口，并有少量次裂纹。快速瞬断区断口的显微特征是变形的初窝，在微观上为货性断裂。

　　2.2金相检查在活塞杆断口附近取样作金相分析，经浸蚀后，其金相组织为具有位向的回火索氏体。

　　裂纹源区的金相组织较为复杂，主要是回火索氏体，但也有少量白色铁素体，晶粒也较细碎。

　　2.3螺纹投影试验采用1刃六大型具显微镜对螺纹进行投影观测，发现螺纹根部较圆滑，未尖锐的刀痕和刻伤。实测牙形半角求得螺纹角为57.因完整螺纹只有牙圈，其它螺纹全己破损不全，所以无法测量螺纹中径底径和螺距。

　　2.4活塞杆断裂的失效分析断口形貌出现疲劳断裂的个特征区域，疲劳源区裂纹扩展区和瞬时拉断区。扩展区有明显的贝壳状弧线，也隐约可放射状棱线，显明显的疲劳特征，因此是属于高周次疲劳断裂。

　　活塞杆是变截面轴，在断裂螺纹边上有台肩，螺纹处直径较小，有螺纹尖槽，因此最易产生应力集中。当活塞杆在长期的拉压脉动冲击载荷作用下，使金属面产生滑移带，滑移带萌生而形成微裂纹。由丁高周疲劳具有很强的缺口敏感性，因此螺纹金加工后的螺纹谷易于成为疲劳裂纹的萌生源。显微裂纹在交变应力作用下沿滑移带的主滑移面向内部扩展，当活塞杆有效截面逐渐减小到剩余截面不能承受作用应力时，发生快速失稳扩展，引起活塞杆的断裂。

　　活塞杆材质为380热轧状态的金相组织为细珠光体+铁素体。淬火后600火处理的金相组织为，火索氏体断口试样金相分析后的情况基本与此相符。螺纹投影也未发现异常，且用前经过磁粉探伤，因此，材质和加状态并不是断裂的主要原因，断裂的主因应该是螺纹根部的应力集中引起的疲劳断裂。

　　2.5结论根据断口的宏观和微观形貌分析，活塞杆的断裂属于高周次疲劳断裂。

　　变截面轴螺纹根部的应力集中是导致早期疲劳破坏的主导原因。

　　可采用下列改进措施来避免或减少这类事故的发生提高面强度，以提高对疲劳的抗力；②增加螺纹直径和严格热处理条件，注意加，质足，防止刀痕等刻痕引起应力集中，因为疲劳有很强的缺口敏感性。

　　1土智。吴培以疲劳失效分析机械工出版杜，卯7 2海交通大学金热处理教研组金，的断分析。交通大学出钣社。976 3中国设备维修专业学会设备故，分析。机械工业出版社。989 4陈南平等。机械辜件失效分析北京请华大学出版社。984