康明斯发电机组支架发生早期断裂的原因

案例：某单位的康明斯柴油发动机用电机支架在考核试验过程中发生早期断裂，服役时间约400h，在更换相同型号支架后试验继续进行。当考核试验结束后发现该支架于相同部位再次发生断裂。经了解该支架材质为优质20碳素结构钢，经热轧处理后直接铣削、焊接加工成型，直接投入使用。为了判明此次事故的原因，我们对前后两次的失效支架进行整合分析，确定了该产品的冷热加工工艺流程，并进行相应的理化检测试验。进而确定了缺陷产生的原因，并依此提出改进措施，以避免同类事故的再次发生。

1.理化检验

（1）宏观分析

该支架结构及断裂部位。可见断裂发生于结构拐角处的支架耳部，裂纹与耳部垂直并贯穿支架壁厚，使耳部与支架主体完全分离开来。

将断裂部位用丙酮清洗后观察，可见断口基本与水平方向垂直，无明显宏观塑性变形痕迹，为正应力作用下的结晶状脆性平齐断口。断面1/3范围可见深褐色锈蚀产物，属陈旧性断口，为早期断裂部位。其余2/3面积为浅灰色颗粒状，并伴有金属光泽，属新鲜断口，为最后断裂部位。裂纹源位于耳部边缘的A处。并可见以A点为辐射源的放射状条纹呈不规则扇形形状扩展，其扩展路径在锈蚀产物的作用下更为明显。

（2）化学成分检测

在失效支架上取样，对其化学成分进行检测后结果见表1，可见其各元素含量均符合GB/T699-1999《优质碳素结构钢》中20钢关于各元素的要求，说明发电机支架材质本身无质量问题。

表1  支架化学成分检测结果（质量分数）   （%）

检测项目	C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Cu
实测值	0.20	0.22	0.54	0.018	0.023	0.09	0.01	0.03
标准值	0.17～0.23	0.17～0.37	0.35～0.65	≤0.035	≤0.035	≤0.25	≤0.30	≤0.25

（3）非金属夹杂物检测

按照GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》要求，切取并磨制金相试样，在Neophot2光学显微镜下观察其纵向磨面，检测结果分别见，可见该支架非金属夹杂物含量符合相关技术要求。

表2  支架非金属夹杂物检测结果  （级）

检测项目	A类	B类	C类	D类	DS类
实测值	0.5	0.5	1.5	0	0.5
要求值	≤2.5	≤2.5	≤2.5	≤2.5	≤2.5

（4）金相组织检测  在支架耳部取样并检测其金相组织为：铁素体组织+珠光体组织（呈明显带状分布）。晶粒度为6～7级。根据GB/T 13299-1991 《钢的显微组织评定方法》中带状组织评级图：带状组织级别为：B系列4级（见图5），属于较严重的带状组织。

（5）布氏硬度测试

测得其布氏硬度为133HBW。因支架形状尺寸的限制，无法对其取样进行抗拉强度、伸长率和冲击韧性等力学性能进行测试。只能从布氏硬度数值上初步了解其性能概况。但经过以往的大量试验表明：带状组织对材料的抗拉强度Rm和屈服强度ReL影响并不大，但却使垂直于轧制方向（即垂直于带状方向）的断后伸长率A、断面收缩率Z，以及冲击韧性Ak的值明显降低。

2.综合分析与讨论

（1）带状组织的危害

从金相组织检测结果可知材料中存在明显的带状偏析。带状组织是指沿钢材轧制方向形成的，以先共析铁素体为主的带与以珠光体为主的带彼此堆叠而成的组织形态。由于带状组织中相邻显微组织不同，性能也存在差异，强弱带之间必然会产生应力集中，因而造成力学性能的整体降低，并且存在明显的各向异性，在外力作用下易沿带状组织发生层状撕裂，为材料的早期失效奠定了组织基础。

（2）带状组织的成因

带状组织是低碳钢中一种常见的缺陷组织，它的成因大致有两种：一种是钢液在铸锭结晶过程中选择性结晶造成枝晶组织的不均匀分布，在轧制时粗大的枝晶被拉长并逐渐与变形方向一致，从而形成碳及合金元素的贫化带和富化带的堆叠，缓冷时便分别形成以铁素体和珠光体为主的带彼此交替。在这种情况下，成分带状是组织带状的根源和先决条件。所以用常规退火、正火方法很难加以消除，只能通过高温扩散退火后再经一到三次正火来改善或消除。

第二种原因是由于热加工工艺不当引起的带状组织，当热轧温度处于两相区时，铁素体沿金属流动从奥氏体中呈带状析出，尚未分解的奥氏体被分割成带状，当冷却到A1时带状奥氏体转变为带状珠光体。这种原因形成的带状组织可通过正火或退火加以改善和消除。

（3）消除带状组织模拟实验

为了判明该支架带状偏析的成因并加以消除，我们按照20钢的常规热处理工艺对其进行正火处理。处理后的金相组织，可见带状组织得到明显的改善，说明该支架带状组织的成因是热加工工艺不当，经过适当的正火处理可以改善和消除。这就从材料显微组织方面找到了该支架断裂的内部原因及其改进措施。

（4）综合分析

从支架外部结构的设计和加工来说，纵观支架整体形貌，可见加工粗糙，焊缝明显，随处可见刀痕和坑洼，说明整体加工质量欠佳。由图1中支架的结构和断裂部位可以看出，断裂发生于横竖钢板的拐角处，此处原本就属于结构设计的薄弱环节，本应有用于减小应力集中的圆弧过渡区域，而却出现了明显的加工台阶，如此明显的机械加工缺陷无疑会造成应力集中区域，为裂纹的萌生和发展打开了通道。

从支架的整体加工工艺来说，热轧钢板使用前并未做正火处理，也未进行相应理化检测试验，造成带有缺陷组织的原材料直接转入下一道机械加工工序。另外，支架钢板焊接之后也未做退火或正火处理，将不可避免地造成焊接残余应力的存在，这在一定程度上加快了支架的脆性断裂进程。

3.结论及建议

（1）该支架断裂性质为正应力作用下的脆性断裂。支架耳部拐角处的加工台阶，造成明显的应力集中，是诱发裂纹萌生的源头。

（2）金相组织中存在的带状偏析，强烈降低材料的横向（垂直于轧制方向）力学性能，从内部组织结构上为支架的断裂埋下了隐患。

（3）焊接后未经退火或正火处理，造成残余应力的存在，一定程度上加快支架的脆性断裂进程。

建议从支架的结构设计和加工上加大耳部拐角处的圆弧过渡区域，减小应力集中程度；加大入厂原材料的检验力度，避免不合格品的流入；完善热处理工艺，保证材料的热处理质量，避免出现组织缺陷；对焊接件及时进行去应力退火，以保证产品质量。

康明斯产品性能特点：
结构紧凑的柴油发电机组
皮带传动系统：带有自动张紧机构，使皮带免于保护
连杆：锻造连杆具有最大的结构强度
曲轴：经感应淬火锻造而成的钢制曲轴具有最大的强度和多次重磨能力
缸体：新型高强度设计使缸体的刚度提高32％，具有极高的耐久性
缸套：荣获专利的中止口设计使缸套具有最大的刚度，提高了活塞环的寿命
燃油系统：采用Bosch优质直列柱塞或转子高压油泵和喷油器，具有更高的燃油经济性
涡轮增压器：全部采用Holset增压器，HX40型带整体式废气旁通阀，进一步改善低速反应及动力性
活塞：铝合金活塞镶有两道耐蚀高镍铸铁环槽，提高了活塞和活塞环使用寿命，阳极化处理的活塞顶也有助于提高其耐久性
机油滤清器：组合式全流和旁通弗列加品牌，滤清效果近乎完美，提高了总机耐久性