某油田的2500型压裂车的泵总承服役一段时间后出现异常，拆解后发现泵总承吸入端第二缸的连杆断裂。连杆材料为7A09(对应的老牌号为LC9)高强度铝合金，累计使用时间约350h，设计寿命2万h。为查找连杆的断裂原因，我们对其进行了解剖分析。

1.物理和化学分析

(1)断裂分析

根据断裂连杆的宏观断裂形貌，发现失效连杆的断裂呈现三种断裂特征，可分为一次疲劳断裂、二次疲劳断裂和三次脆性断裂。

主疲劳断口沿油孔方向扩展，呈现典型的疲劳断裂特征。连杆剖开后的一次疲劳断裂断口形貌从扩展区的反方向可以看出，裂纹源区位于铝合金连杆一端中心油孔处，设计倒角为R6.35mm，实际上没有倒角，油孔直角处形成严重的应力集中，成为一次疲劳断裂的裂纹源。同时，断裂表明，油孔两侧的疲劳扩展区分布不均匀，油孔一侧的疲劳源区向直角方向倾斜。

二次疲劳断裂位于几何尺寸突变后连杆下端面有效截面积小的位置。断裂方向垂直于主疲劳断裂，断裂由疲劳源区，扩展区和瞬断区，组成，也呈现典型的疲劳断裂特征。从断口可以看出，疲劳源区也指向油孔的一侧，与主疲劳裂纹源在同一侧;疲劳扩展区约占连杆单侧截面积的2/3，瞬断区约占1/3。

第三级断裂是脆性断裂，是低塑性材料承受压应力时形成的典型破坏断裂。裂缝和油孔方向略大于45，表现出过载断裂特征。此外，有些骨折还留下了撞击痕迹。

(2)力学性能测试

通过取样对连杆的力学性能进行了测试，测试结果表明，连杆的抗拉强度为556兆帕，屈服强度为486兆帕，延伸率为7.5%。数据表明，连杆的力学性能符合GB/T3380.2-2012中7A09的要求。

2.讨论和分析

(1)连杆受力仿真分析

正常工况下，在单个循环中，连杆的上端面和下端面是平衡的，共同承受来自曲轴的输出压应力和旋转拉应力，连杆输出动力时的压应力远大于旋转时的拉应力。在这次事件中，从连杆的断裂及其断裂形式推断，在单个循环中，当输出动力时，连杆的上下端面被压缩在一起;连杆转动时，拉应力主要由连杆下端面承受。因此推断连杆上下端面的平衡应力发生了变化，两者之间形成了应力差。随着服役时间的增加，应力差不断积累叠加，成为初生裂纹产生和扩展的驱动力;连杆下端面的拉压循环应力成为二次裂纹产生和扩展的驱动力。同时，连杆两个疲劳断裂的裂纹源分布在油孔的同一侧，靠近裂纹源一侧的工作应力略大于另一侧，这也说明连杆水平截面上的应力分布不均匀。

可以看出，断裂连杆的整体应力状态在这次事件中发生了变化，上下端面之间形成了应力差，上端面主要承受压应力，下端面承受拉压循环应力。

(2)连杆断裂过程分析

从连杆的断裂分析和应力模拟分析可以看出，在这种情况下，连杆的上下端面产生了应力差。经过反复积累和叠加，在连接铝合金连杆和十字头的一侧油孔的直角处形成应力集中，成为一次断裂的疲劳源区。随着服役，在应力差的作用下，疲劳裂纹向另一端a扩展

连杆下端面断裂后，在下一个工作循环中，上端面承受全部工作应力。此时有效承载面积减少到原来的1/2，而输出压应力保持不变。因此，连杆上端面的单位工作压应力大于材料的许用应力，与油孔方向形成略大于45的第三次脆性断裂。在连杆断裂和停止的过程中，断裂的连杆在箱体内旋转碰撞，导致连杆中部碰撞成多个小块，在断口上留下碰撞痕迹。

(3)讨论分析

从力学性能测试结果可以看出，连杆的性能指标满足设计要求，可以消除材料强度不足导致连杆断裂的因素。

正常情况下，当连杆运动到水平面时，连杆、十字头和小连杆的中心线与曲轴的中心线重合，处于平衡位置，连杆承受全部载荷。相反，当与十字头连接的连杆一端异常偏离平衡位置时，接头偏离中心线，在重力作用下下沉，会造成连杆上下端面的应力差。由此推断，连杆断裂的原因是连杆与十字头之间的连接端异常，偏离中心线，改变了连杆的应力状态，在连杆油孔的直角处形成应力集中，导致连杆的失效。

3.结论和建议

(1)铝合金连杆断裂属于早期疲劳断裂。

(2)连杆与十字头之间的连接端异常，偏离平衡位置，导致连杆受力不均，是连杆断裂的主要原因。

(3)连杆油孔端部直角过渡形成的应力集中加速了连杆的早期失效，是连杆断裂的次要原因。

(4)连杆上的油孔端部按设计要求倒圆过渡，以减少应力集中，延长连杆的使用寿命。