Page 81 - 理化检验-物理分册2024年第八期

连玮琦，等：加氢裂化新氢压缩机一级活塞杆断裂原因

根据断口平整光滑、塑性变形和剪切唇不明显、 1.2 化学成分分析
瞬断区面积较小等特征，结合活塞杆承受交变载荷 在断裂活塞杆上截取试样，用直读光谱仪对试
的作用，判断活塞杆的断裂性质为疲劳断裂，且活塞 样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：
杆承受的应力不是很大，裂纹在相对较长的时间内 活塞杆的化学成分符合技术要求。
以比较缓慢的速率扩展，裂纹从萌生到最终断裂，经 1.3 力学性能测试
历了较长的时间。因此推测，该活塞杆投入使用不 对断裂活塞杆取样，对试样进行常温拉伸试验、
久，其外表面就产生了疲劳裂纹。 冲击试验和硬度测试，结果如表2~4所示。
表1 活塞杆化学成分分析结果 %
质量分数
试样
C Si Mn P S Cr Ni Mo Al
实测值 0.407 0.347 0.502 0.034 0 0.018 7 1.39 0.335 0.156 1.05
技术要求 0.35~0.42 0.20~0.45 0.30~0.60 ≤0.035 ≤0.035 1.35~1.65 ≤0.30 0.15~0.25 0.7~1.1

表2 断裂活塞杆常温拉伸试验结果 表3 断裂活塞杆常温冲击试验结果 J
屈服 抗拉 断后 冲击吸收 冲击吸收
项目 项目
强度/MPa 强度/MPa 伸长率/% 能量 能量平均值
实测值 786.10 975 16.34 实测值 32,32,30 31
GB/T 3077—2015标准值 835.00 980 14.00 GB/T 3077—2015标准值 71
GB/T 1220—2007标准值 540.00 735 12.00 GB/T 1220—2007标准值 24
JIS G 4303:2012标准值 540.00 740 12.00 JIS G 4303:2012标准值 29
表4 断裂活塞杆硬度测试结果 HB
硬度
项目
测点1 测点2 测点3 测点4 测点5
实测值 267 275 277 268 273
GB/T 3077—2015标准值 ≤229
GB/T 1220—2007标准值 217
JIS G 4303:2012标准值 217

由表 2 可知：断裂活塞杆的屈服强度、抗拉 的硬度会增大材料疲劳开裂的敏感性。
强度均略低于GB/T 3077—2015《合金结构钢》 1.4 金相检验
对 38CrMoAl钢的要求，但高于原设计材料JIS G 在断裂活塞杆横截面取样，将试样置于光学显
4303:2012《不锈钢棒》对SUS420J2 钢的要求和 微镜下观察，结果如图3所示。由图3可知：活塞杆
GB/T 1220—2007《不锈钢棒》对3Cr13钢的要求， 材料的显微组织为具有马氏体位向的回火索氏体，
说明该活塞杆材料的强度虽然略低于标准要求，但 但局部存在块状铁素体和渗碳体，这可能是导致冲
不是导致活塞杆快速断裂的主要原因；断后伸长率 击吸收能量低于标准值的原因。
符合标准要求。 1.5 扫描电镜和能谱分析
由表3可知：断裂活塞杆的常温冲击吸收能量平 在裂纹源区截取试样，将试样置于扫描电子显
均值为31 J，低于GB/T 3077—2015对38CrMoAl钢 微镜下观察，并对其进行能谱分析，结果如图4所示。
的要求，但略高于JIS G 4303:2012对原设计材料SUS 由图 4 可知：裂纹起源于活塞杆外表面，该区域断
420J2钢的要求和GB/T 1220—2007对3Cr13钢的要 口已被反复碾压为平整光滑的断面；裂纹源区的主
求，说明该活塞杆材料的冲击吸收能量虽然低于标准 要成分为金属和金属氧化物，无其他腐蚀产物及夹
要求，但不是导致活塞杆快速断裂的主要原因。 杂物。
由表4可知： 断裂活塞杆的硬度约为270 HB，高 在裂纹扩展区截取试样，将试样置于扫描电子显
于GB/T 3077—2015 对 38CrMoAl钢的要求，较高 微镜下观察，并对其进行能谱分析，结果如图5所示。
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