柴油機(jī)曲軸斷裂分析

楊涵

摘 要：某型號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸在臺(tái)架實(shí)驗(yàn)運(yùn)行約840小時(shí)后發(fā)生斷裂，采用宏觀(guān)檢查、微觀(guān)檢查、金相組織檢查、材料化學(xué)分析、材料力學(xué)性能檢驗(yàn)等方法進(jìn)行了失效分析，分析結(jié)果表明：曲軸在復(fù)雜工況下產(chǎn)生了疲勞斷裂，疲勞裂紋起始于R角凸肩邊緣1.5mm處，該位置存在粗大的魏氏組織降低了曲軸的抗疲勞強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：曲軸;發(fā)動(dòng)機(jī);斷裂

中圖分類(lèi)號(hào)：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）14-98-03

Abstract： The crankshaft of a certain type of diesel engine fractured after about 840 hours of bench test operation. Failure analysis was performed using methods such as macro inspection， micro inspection， metallographic inspection， material chemical analysis， and material mechanical performance inspection. Fatigue fracture occurred under the working condi -tions， and the fatigue crack started at 1.5mm of the R-angle shoulder edge， where the presence of coarse Weiss structure reduced the fatigue strength of the crankshaft.

Keywords： Crankshaft; Engine; Fracture

CLC NO.： U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）14-98-03

前言

某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸在臺(tái)架實(shí)驗(yàn)運(yùn)行約840小時(shí)后發(fā)生斷裂。曲軸材質(zhì)為42CrMoA鋼，該曲軸的加工工藝為：鍛造-正火-淬火-回火-熱校直-去應(yīng)力回火-機(jī)加工-時(shí)效處理-淬火-回火-機(jī)加工。

1 宏觀(guān)檢查

從圖中可看曲軸斷裂的位置處于第六缸連桿軸徑與主軸頸結(jié)合處，裂紋穿過(guò)整個(gè)曲柄臂最終導(dǎo)致曲軸發(fā)生斷裂，如圖1所示。圖2是端口的形貌，仔細(xì)分別可隱約看到裂紋擴(kuò)展的貝殼狀弧線(xiàn)，這種貝殼狀弧線(xiàn)是疲勞斷裂特有的形貌。圖中黃色箭頭指示多組疲勞弧線(xiàn)，沿著箭頭反方向查找，可推斷出疲勞源區(qū)對(duì)應(yīng)于R角凸肩表面的位置，距離R角凸肩邊緣1.5mm左右。

2 微觀(guān)檢查

從宏觀(guān)上看，斷口疲勞源區(qū)還保留著斷裂特征，但從掃描電鏡下觀(guān)察到的形貌顯示疲勞源區(qū)已被磨損地十分嚴(yán)重。據(jù)介紹在臺(tái)架實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)生曲軸抱死又再次啟動(dòng)的情況，這很可能導(dǎo)致整個(gè)斷口發(fā)生了嚴(yán)重磨損，圖5是疲勞源區(qū)的放大形貌，未觀(guān)察到可能導(dǎo)致裂紋萌生的缺陷，缺陷也有可能已被擠壓研磨掉。

3 金相組織檢查

3.1 低倍組織檢查

將樣品酸洗和電解腐蝕，最終得到如圖6所示的組織形貌，從圖中可以看出斷裂處組織的宏觀(guān)缺陷并不明顯，評(píng)定為1級(jí)中心疏松，無(wú)其他缺陷，缺陷情況不嚴(yán)重。

3.2 材料的夾雜物檢查

將樣品進(jìn)行拋光并在100倍光學(xué)顯微鏡下檢查。從圖7可見(jiàn)，材料內(nèi)只有很少的夾雜物。

3.3 金相組織檢查

將曲軸疲勞源區(qū)的樣品進(jìn)行拋光和溶液侵蝕，獲得材料500倍下的金相組織。從圖中觀(guān)察到有粗大的魏氏組織，不滿(mǎn)足 “不允許有魏氏組織”的技術(shù)要求，進(jìn)一步取非疲勞源區(qū)的樣品在500倍下觀(guān)察到的金相組織相對(duì)細(xì)小，基本上都是索氏體和少量鐵素體，金相組織正常。

通過(guò)上述分析，材料疲勞源區(qū)的金相組織不合格。

4 材料化學(xué)分析

在曲柄臂內(nèi)部取樣，利用直讀光譜的方法對(duì)曲軸的化學(xué)成分進(jìn)行了分析，表中顯示的結(jié)果表明曲軸的化學(xué)成分符合國(guó)標(biāo)對(duì)42CrMoA鋼的要求。

5 材料力學(xué)性能檢驗(yàn)

在連桿軸頸半徑的1/2處取φ6和U型缺口試樣，分別做拉伸和沖擊試驗(yàn)，從表中可以看出曲軸材料的各項(xiàng)拉伸力學(xué)性能都滿(mǎn)足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。

6 硬度檢驗(yàn)

對(duì)曲軸斷口疲勞區(qū)組織的表層區(qū)域做硬度測(cè)試，測(cè)試具體位置分布見(jiàn)圖10，表3是測(cè)試后的維氏硬度結(jié)果，箭頭指示疲勞源區(qū)，未淬火區(qū)域的硬度通常只在HV1280到290之間，然后硬度逐級(jí)增加，到表面淬火區(qū)域的硬度在HV1520左右，可見(jiàn)硬度存在顯著差異。而存在魏氏組織區(qū)域的硬度在HV1255左右，硬度明顯低于周?chē)w區(qū)域。

7 結(jié)論與建議

曲軸在復(fù)雜工況下產(chǎn)生了疲勞斷裂，疲勞裂紋起始于主軸頸距離R角凸肩邊緣1.5mm處，該位置存在粗大的魏氏組織，該組織的存在降低了曲軸的抗疲勞強(qiáng)度，最終導(dǎo)致曲軸在復(fù)雜工況下斷裂。建議：（1）控制熱處理溫度，避免過(guò)高溫度;（2）注重實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的控制，避開(kāi)形成魏氏體的冷卻情況;（3）通過(guò)采用合適的工藝如正火、退火等來(lái)消除粗大晶粒。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳渝，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸斷裂失效分析[J]，理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)），2012 （08）：61-64.

[2] 李顯戴，張芳，王必璠等.某發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸斷裂分析[J]，汽車(chē)科技，2014 （2）：66-70.

[3] 王春芬，李雪峰，張海峰等.曲軸斷裂原因分析[J]，熱加工工藝，2011 （24）：248-250.

[4] 焦麗，王國(guó)亮，徐向陽(yáng)等.柴油機(jī)曲軸斷裂原因分析[J]，金屬熱處理，2015，40（8）：195-198.

[5] Chen W. The Microscopic Analysis on the Crankshaft Fracture Sur -face of the Compressor[J]. Advanced Materials Research，2014， 912 -914：837-840.