大型柴油機(jī)曲軸斷裂失效研究

徐州工程兵學(xué)院，江蘇徐州，221009

摘 要：內(nèi)燃機(jī)目前是機(jī)械裝備的主要動力來源，隨處可看見的汽車，在農(nóng)田當(dāng)中工作的農(nóng)業(yè)機(jī)械，復(fù)雜的工程機(jī)械等等都需要內(nèi)燃機(jī)作為其動力，隨著交通逐漸發(fā)達(dá)，人們的生活也越來越好，對很多機(jī)械設(shè)備及其內(nèi)在的內(nèi)燃機(jī)提出了越來越高的要求，而曲軸是大型柴油機(jī)中非常重要的零件，對其失效進(jìn)行深刻的研究是非常有必要的。

關(guān)鍵詞：疲勞斷裂；大型柴油機(jī)；曲軸；失效研究

引言

在柴油機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)當(dāng)中，有很多重要的零部件，曲軸就是其中之一。實際上曲軸的工作環(huán)境是比較惡劣的，一些曲軸需要在高溫的環(huán)境之中長期工作，還有一些需要在有腐蝕性的環(huán)境下工作，而且曲軸本身受到不同方向的作用力，因此非常容易毫無預(yù)兆地發(fā)生斷裂，一旦這樣的情況發(fā)生，就會造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，為了有效避免這一情況，應(yīng)當(dāng)對大型柴油機(jī)曲軸斷裂失效的原因進(jìn)行探究。

1疲勞斷裂概述

1.1疲勞斷裂概念

一般在工程構(gòu)件工作的過程當(dāng)中，都要承擔(dān)交變應(yīng)力的作用方式，交變應(yīng)力一般會在一段時間之內(nèi)反復(fù)無規(guī)律的施加壓力，而工程構(gòu)件本身的承受能力是有限的，長此以往，就非常容易發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，這樣的斷裂一般人們認(rèn)為是疲勞斷裂。根據(jù)目前對大型柴油機(jī)曲軸斷裂的整體情況進(jìn)行分析會發(fā)現(xiàn)，曲軸失效的原因是非常多的，但是最為常見的就是沖擊疲勞失效，而且沖擊疲勞失效往往是瞬時的，由于這種斷裂方式在一瞬間發(fā)生，經(jīng)常會導(dǎo)致工作過程突然停止，不僅可能會造成非常嚴(yán)重的資金上的損失，還可能會造成人員的傷亡，后果往往是非常嚴(yán)重的。

1.2特點

通過上述的介紹，實際上可以發(fā)現(xiàn)疲勞斷裂的一個非常顯著的特點，就是沒有預(yù)兆性，在很多的斷裂發(fā)生之前都會出現(xiàn)變形的現(xiàn)象，這也能夠提醒人們早做打算，但是疲勞斷裂并沒有變形的過程，是一種脆性斷裂，實際上曲軸一般是在長時間的工作狀態(tài)當(dāng)中積累了非常多的損傷，但是一些經(jīng)裂紋不是慢慢顯現(xiàn)出來的，而是達(dá)到了臨界狀態(tài)時，直接發(fā)生了斷裂。

疲勞斷裂實際上是有壽命的斷裂，曲軸在長時間的工作狀態(tài)中承受了很多的作用力，一般來說斷裂應(yīng)力水平都沒有達(dá)到材料開始預(yù)想的強(qiáng)度，但是由于長時間的作業(yè)，最后可能是很小的力也會造成曲軸的斷裂失效。

因為疲勞斷裂往往是從一些很小的地方開始的，一些局部的部位更容易發(fā)生疲勞斷裂，尤其是一些有缺陷的地方，在一些部位能夠看見裂紋的，或者本身就有組織上的缺陷的，或是有缺口的，最容易發(fā)生疲勞斷裂，因此在一些缺陷的部位應(yīng)當(dāng)尤為注意。

疲勞斷裂是大型柴油機(jī)曲軸斷裂失效最為普遍的現(xiàn)象，因此對曲軸發(fā)生疲勞斷裂的原因進(jìn)行探究，首先從原材料方面，然后從熱加工方面，最后從機(jī)械加工方面。

2原材料

對于零件來講，本身的材料成分和冶金質(zhì)量在很大的程度上決定了材料的質(zhì)量，是材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改變零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也就是對材料和制作的方式進(jìn)行研究，能有效提高零件的性能，可以防止一些斷裂的發(fā)生。

在進(jìn)行材料制造的過程當(dāng)中，一般都會加入一些合金組元，這些化學(xué)組成對于零件來說是非常有利的，但是生產(chǎn)原材料的過程當(dāng)中，不僅會有這些有利元素，也會有一些有害的組員，進(jìn)入其中，在生產(chǎn)的過程當(dāng)中，經(jīng)常會因為各種原因進(jìn)入一些其他，比如氫氣、氧氣和氮氣等等，這些都是材料生產(chǎn)當(dāng)中的有害雜質(zhì)，但是很難避免其進(jìn)入，因為在生產(chǎn)的過程當(dāng)中必然會和空氣接觸，很可能就會混進(jìn)入很多氣體。還有一種可能性是在原材料加入的過程中，帶進(jìn)去一些輔料，比如硫元素和磷元素，一般來說在元素周期表右側(cè)的一些非金屬元素，混雜在原材料制造中，都很可能會降低零件的整體質(zhì)量。

對一些斷裂的曲軸進(jìn)行化學(xué)成分的研究，可以發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律，一些含有很多氫含量的曲軸往往更加容易發(fā)生斷裂，還有一些曲軸本身有低倍組織的缺陷，通過仔細(xì)的科學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)上述的兩種情況往往會影響鋼的工藝性能，而鋼又是曲軸元件中非常重要的組成部分，可以說曲軸開裂的很大原因在于鋼的性能發(fā)生了改變。因此在原材料上，應(yīng)當(dāng)避免高的氫含量和低倍組織缺陷這兩種情況，盡量保證鋼的工藝性能。

3熱加工

在大型柴油機(jī)內(nèi)部的曲軸，要求都是比較高的，在形狀上也是有很多的樣式，但是普遍都非常復(fù)雜，為了能夠適應(yīng)柴油機(jī)高強(qiáng)度的工作，一些曲軸的長度非常長，還有一些曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此對曲軸進(jìn)行熱加工的過程當(dāng)中，會出現(xiàn)很多困難的環(huán)節(jié)，在控制工序上有一些需要探討的部分。

對于曲軸這類的機(jī)械零件來說，鍛造是非常重要的一個步驟，經(jīng)過鍛造的曲軸能夠形成一定的形狀，符合設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，但是在看不見的部位也發(fā)生了很大的變化，比如在強(qiáng)度上，還有在韌性上，尤其是在鍛造比較大的曲軸時，這種影響就更加明顯了。在一些鍛造的過程中在工藝的方面出現(xiàn)問題，生產(chǎn)出來的曲軸往往非常容易出現(xiàn)缺陷，并在工作的過程當(dāng)中容易發(fā)生斷裂。

熱加工手段實際上是為了讓曲軸能夠達(dá)成原本人們計劃的組織和性能而進(jìn)行的步驟，但是在熱加工的過程當(dāng)中，會出現(xiàn)不好的情況，一些熱加工的處理方式不夠正確，最終導(dǎo)致曲軸直接不能進(jìn)行正常的工作，還有的曲軸經(jīng)過熱加工之后，并沒有增強(qiáng)相應(yīng)的性能，這也在一定程度上造成曲軸的斷裂。

對一些發(fā)生斷裂的曲軸進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，一些曲軸在熱處理的過程當(dāng)中存在一些問題，在冷卻的環(huán)節(jié)，沒有嚴(yán)格按照規(guī)定進(jìn)行，最終導(dǎo)致曲軸上出現(xiàn)鐵素體和貝氏體組織，貝氏體組織本身是能夠在一定程度上降低曲軸的疲勞強(qiáng)度，讓曲軸容易發(fā)生疲勞斷裂。原本曲軸的設(shè)計是有效的，但是由于不當(dāng)?shù)臒崽幚磉^程導(dǎo)致曲軸的性能不能達(dá)成原本的設(shè)計目標(biāo)，在使用的過程當(dāng)中又不能及時發(fā)現(xiàn)，最終導(dǎo)致在曲軸原本能夠承受的作用力范圍內(nèi)就出現(xiàn)了斷裂的現(xiàn)象，給人們造成了損失。

因此在熱加工的環(huán)節(jié)當(dāng)中應(yīng)當(dāng)按照熱加工的要求逐步進(jìn)行，不得出現(xiàn)違規(guī)操作，以保證曲軸的質(zhì)量。

4機(jī)械加工

在零件制造的過程當(dāng)中，需要對零件的外形進(jìn)行制作，比如去掉多余的部分，按照設(shè)計的形狀對零件進(jìn)行加工，一般在進(jìn)行機(jī)械加工之后的零件能夠在尺寸和形狀等方面都達(dá)成設(shè)計的要求。

在對曲軸進(jìn)行機(jī)械加工的過程當(dāng)中，可能會形成加工缺陷，比如在曲軸上面有刀的痕跡就是明顯的加工過程中產(chǎn)生的問題。在對曲軸進(jìn)行磨削加工的時候，由于該過程會產(chǎn)生大量的熱能，零件的表面受熱，很可能會發(fā)生一些變化，比如表層組織有了變化，還有的一些曲軸出現(xiàn)了裂紋，這對于曲軸來講都可能會影響曲軸的質(zhì)量。

磨削加工一般的都是在高溫的情況下進(jìn)行加工，在加工部分完成之后，還需要對曲軸進(jìn)行冷卻處理，但是曲軸本身是金屬物質(zhì)，表面的金屬會因為這種急劇的冷卻降溫，產(chǎn)生一些殘余應(yīng)力，最終會在曲軸進(jìn)行工作的過程中與很多的作用力混合，會對曲軸造成不良的影響。

5結(jié)語

本文首先介紹了疲勞斷裂的概念和基本特點，因為在對大型柴油機(jī)曲軸斷裂失效研究的過程中發(fā)現(xiàn)，80%以上的斷裂都是因為疲勞斷裂，后續(xù)本文介紹的三種斷裂原因也都是因為疲勞斷裂。然后分別介紹了在原材料方面、熱加工方面和機(jī)械加工方面出現(xiàn)的一些問題，這些問題導(dǎo)致曲軸發(fā)生了變化，最終導(dǎo)致了斷裂失效，對于這三個方面應(yīng)當(dāng)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，能夠避免這種情況的再次發(fā)生。

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作者簡介：

楊世超/男/1993年生/遼寧彰武人/本科/研究方向為工程機(jī)械