汽車發(fā)動機曲軸斷裂分析

鄭 真，張 兵，趙 劍

(1.北京航空材料研究院 中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095；2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；3.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095；4.川慶鉆探工程有限公司 安全環(huán)保質量監(jiān)督檢測研究院，四川 德陽 618300)

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汽車發(fā)動機曲軸斷裂分析

鄭 真1,2,3，張 兵1,2,3，趙 劍4

(1.北京航空材料研究院 中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095；2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；3.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095；4.川慶鉆探工程有限公司 安全環(huán)保質量監(jiān)督檢測研究院，四川 德陽 618300)

汽車行駛3萬多km后發(fā)動機曲軸發(fā)生斷裂。通過宏微觀觀察、金相檢查、力學性能測試、R尺寸及表面粗糙度測量，對曲軸的斷裂性質和原因進行分析。結果顯示：曲軸斷裂性質為疲勞斷裂；曲軸基體組織為珠光體+連續(xù)網(wǎng)狀鐵素體，鐵素體呈連續(xù)網(wǎng)狀沿晶分布，導致材料塑性、沖擊韌性和疲勞性能降低，是導致曲軸疲勞斷裂的主要原因；此外，R角處表面粗糙度超出技術要求，促進了疲勞裂紋的萌生。

發(fā)動機曲軸；49MnVS3非調(diào)質鋼；疲勞斷裂；網(wǎng)狀鐵素體

0 引言

曲軸是汽車發(fā)動機中最重要的部件之一。它將連桿傳來的力轉化為轉矩并輸出以驅動發(fā)動機上其他附件工作。旋轉質量的離心力、周期變化的氣體慣性力和往復慣性力的共同作用，使曲軸承受彎曲扭轉載荷。此外，由于路況等原因，曲軸在車輛行駛過程中不可避免會受到?jīng)_擊載荷的作用。因此曲軸材料必須具有足夠高的強度、沖擊韌性和疲勞強度，一般采用球墨鑄鐵或碳素結構鋼制成[1]。

曲軸的斷裂失效形式通常有如下幾種情形[2-3]：1)校直引起原始裂紋；2)圓角淬火工藝不合理，在服役過程中會引起疲勞裂紋；3)鍛造質量問題；4)鑄造缺陷；5)加工不當引起應力集中；6)曲軸服役過程中的異常情況。一旦曲軸發(fā)生故障,車輛將由于失去動力源而無法繼續(xù)進行,甚至引起安全事故。由于曲軸在汽車發(fā)動機中的重要性和關鍵性，有必要結合典型案例，對曲軸斷裂的原因進行分析，以便提出相應的解決措施，防止該類故障的再次發(fā)生。

汽車行駛3萬多km后發(fā)動機曲軸發(fā)生斷裂。曲軸材質為49MnVS3非調(diào)質鋼。硬度要求為HB 217～285，抗拉強度要求為700～950 MPa，斷面收縮率≥20%。制造工藝為：鍛造→控冷→拋丸→清洗→防銹處理。本研究通過宏微觀觀察、金相檢查、力學性能測試、R角尺寸及表面粗糙度測試，確定曲軸的斷裂性質，并對其斷裂原因進行分析。根據(jù)分析結果，提出相應解決措施。

1 試驗過程和結果

1.1 宏微觀觀察

采用目視進行宏觀觀察。曲軸主要由主軸頸、連桿頸和扇形板3部分組成，斷裂位置處于曲軸連桿頸與扇形板的過渡處(圖1)。裂紋從轉角處起源，呈線源開裂特征，斷面可見明顯的疲勞弧線，裂紋擴展穿透曲軸壁厚，整個斷面大部分都為疲勞區(qū)，瞬斷區(qū)面積很小(圖2)。

圖1 曲軸斷裂位置及宏觀形貌

圖2 斷口源區(qū)及疲勞弧線形貌

采用蔡司EVO18型掃描電鏡進行微觀觀察，源區(qū)低倍形貌見圖3a，斷口呈線源開裂特征，源區(qū)可見擴展棱線。源區(qū)附近斷面磨損嚴重(圖3b)。源區(qū)附近側表面可見一條磨損區(qū)域，未見粗大加工刀痕和冶金缺陷(圖3c)。擴展區(qū)可見疲勞條帶特征(圖3d)。斷口未見明顯的硫化物聚集現(xiàn)象。

1.2 金相組織

從斷口源區(qū)處截取垂直于斷口的截面試樣，磨拋腐蝕后采用奧林巴斯SZ 61型金相顯微鏡進行組織檢查，腐蝕劑選用4%(質量分數(shù))的硝酸酒精溶液。曲軸基體組織為珠光體+連續(xù)網(wǎng)狀鐵素體(圖4)。按照GB/T 6394—2002，采用對比法對曲軸晶粒度進行評級，源區(qū)附近曲軸晶粒度約為3.5級，接近技術要求(3～7級)的下限。

1.3 力學性能

從扇形板取樣(取樣位置見圖1)，按GB/T 231.1—2009進行布氏硬度測試。曲軸基體布氏硬度平均值約為HB 264，符合技術要求(HB 217～285)。

從扇形板切取圓棒拉伸試樣(取樣位置見圖1)，按GB/T 228.1—2010進行室溫拉伸試驗，試驗結果見表1。曲軸抗拉強度符合技術要求，4個試樣中A、C試樣的斷面收縮率低于技術要求，延伸率雖然沒有技術要求，但相對偏低[4]。對4個拉伸試樣斷口特征進行觀察，除C斷口主要呈韌窩特征外，其余斷口均呈解理和韌窩混合特征， A、C和D試樣斷面可見較明顯的硫化物，分布區(qū)域分別為2/3斷面、整個斷面和1/2斷面，B試樣斷面上未發(fā)現(xiàn)硫化物，由此可見，硫化物在斷面上存在的比例越高，試樣的斷面收縮率就越小。斷面上典型硫化物特征見圖5。

表1 試樣拉伸性能檢測結果

從扇形板切取U型沖擊試樣(取樣位置見圖1)，按GB/T 229—2007金屬夏比缺口沖擊試驗方法進行室溫沖擊試驗，結果見表2?？梢?，曲軸的沖擊功平均值約為4.2 J，換算成沖擊韌性值為24 J/cm2，曲軸的沖擊韌性雖然沒有技術要求，但對于作為承受交變動載荷的曲軸來說，該沖擊韌性值相對較低[4-7]。對沖擊試樣斷口進行微觀觀察，3個試樣斷口微觀形貌相似：斷口心部主要呈解理特征，斷口邊緣主要呈韌窩特征，其中B沖擊試樣斷口邊緣局部可見硫化物。

圖3 曲軸斷口微觀形貌

圖4 曲軸金相組織

圖5 拉伸斷口硫化物形貌

表2 試樣沖擊性能檢測結果

1.4 R角尺寸及表面粗糙度測量

對源區(qū)附近R角尺寸及表面粗糙度進行測量，R角半徑平均值約為3.45 mm，符合技術要求(3.5±0.2)mm。R角表面粗糙度平均值為約0.34 μm，超出技術要求(0.2 μm)。

2 分析與討論

曲軸斷口宏觀形貌可見疲勞弧線，微觀形貌可見疲勞條帶，由此可判斷曲軸斷裂性質為疲勞斷裂[8]。

金相檢查顯示，曲軸材料組織為珠光體+連續(xù)網(wǎng)狀鐵素體。沖擊試驗結果顯示，曲軸基體材料沖擊性能較差。鐵素體沿晶界呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，會降低材料的塑性、沖擊韌性和疲勞性能[9-12]。斷口附近的R角表面粗糙度超出0.2 μm的技術要求，會加大R角處的應力集中，從而促進疲勞裂紋的萌生，曲軸呈線源開裂也說明斷口起源處應力較大。汽車在行駛過程中因車況、路況等復雜因素，發(fā)動機曲軸不可避免會受到較大載荷的作用，在較大載荷作用下，曲軸在應力集中的R角處發(fā)生疲勞開裂。

曲軸斷口上未見明顯的硫化物聚集現(xiàn)象，說明硫化物并不是導致曲軸疲勞開裂的原因，但拉伸試樣斷口顯示，斷口硫化物聚集程度較嚴重的拉伸試樣斷面收縮率較低，斷口硫化物聚集程度較輕的拉伸試樣斷面收縮率較高，說明硫化物聚集會影響材料的塑性。

非調(diào)質鋼的強韌化機理和特點在于，通過合理的鍛壓熱加工工藝，可使微合金結構鋼中的沉淀相彌散析出并且得到較細的晶粒，從而達到提高強度又保持較高韌性的目的。要達到這一目的，需要選擇合適的合金成分，并且其熱加工參數(shù)及冷卻條件需與成分相適應。曲軸晶粒度接近下限，并且鐵素體沿晶界呈網(wǎng)狀，使得材料塑性和沖擊韌性偏低，可以通過調(diào)整熱加工參數(shù)及冷卻條件(始鍛和終鍛溫度、冷卻速度)來獲得較好的綜合性能，特別是提高材料塑性和沖擊韌性[4,7]。

3 結論

1)曲軸的斷裂性質為疲勞斷裂。

2)鐵素體呈連續(xù)網(wǎng)狀沿晶分布，導致材料沖擊韌性和疲勞性能降低，是導致曲軸疲勞斷裂的主要原因。

3)R角處表面粗糙度超出技術要求，導致應力集中系數(shù)增加，是引發(fā)曲軸斷裂的次要原因。

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Fracture Analysis of Car Engine Crankshaft

ZHEN Zhen1,2,3，ZHANG Bing1,2,3，ZHAO Jian4

(1.AVICFailureAnalysisCenter,BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China;2.BeijingKeyLaboratoryofAeronauticalMaterialsTestingandEvaluation,Beijing100095,China;3.AviationKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonMaterialsTestingandEvaluation,Beijing100095,China;4.SafetyEnvironmentQualitySurveillance&InspectionInstitute,SichuanDeyang618300,China)

The engine crankshaft of a car fractured after running for more than 30 thousand kilometers. In order to find out the failure mode and cause, macro and micro observation, microstructure examination, mechanical properties testing and the size and surface roughness testing of the R transition region were carried out. The results show that the fracture mode of the crankshaft is failure fracture. The microstructure is made up of pearlite and ferrite network. Ferrite network reduced the ductility, impact toughness and fatigue property of the crankshaft, which is the main reason for the fatigue fracture of the crankshaft. In addition, the surface roughness of the R transition region is higher than requirement, promoting the initiation of the crack.

engine crankshaft; 49MnVS3 non-quenched and tempered steel; failure fracture; ferrite network

2016年5月4日

2016年7月14日

鄭真(1989年-)，女，工程師，主要從事微觀物理及失效分析等方面的研究。

TG142.33；U464.13

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.04.013

1673-6214(2016)04-0261-04