QJ150FMH摩托車曲軸失效斷裂分析及措施*

成 暢，顧 婷，陳文靜

(金肯職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211156)

0 引 言

機(jī)械零部件產(chǎn)品的失效分析屬于機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的綜合性技術(shù)研究，其主要是探索產(chǎn)品失效的規(guī)律和相應(yīng)的機(jī)動原理[1]。大多數(shù)產(chǎn)品早期斷裂失效往往是因?yàn)楫a(chǎn)品質(zhì)量本身低劣或相關(guān)質(zhì)量管理不夠完善所導(dǎo)致。斷裂失效的正確的鑒定及失效原因的迅速判斷是安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。曲軸失效斷裂是由各種各樣的原因所導(dǎo)致的，其中，沖擊疲勞失效大概率是曲軸斷裂失效中最常見的根源。疲勞斷裂最終斷裂的方式是一瞬間發(fā)生的，如果現(xiàn)場無法及時反應(yīng)應(yīng)對，會致使其安全危險(xiǎn)性加大，嚴(yán)重時可能發(fā)生摩托車損壞及駕駛員受傷甚至死亡的安全事故。QJ150FMH摩托車曲軸在市場上發(fā)生多例斷裂事故[2]，存在重大的產(chǎn)品質(zhì)量問題，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

針對以上的問題，筆者對QJ150FMH摩托車左右軸型號的兩種斷裂曲軸進(jìn)行分析，找到曲軸斷裂失效的原因并提出相關(guān)有效的改進(jìn)措施，及時有效地預(yù)防曲軸發(fā)生早期斷裂失效，為企業(yè)的安全生產(chǎn)和售后維修提供參考方向。

1 曲軸失效事故及宏觀檢查

通過宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，曲軸斷裂的位置在右軸φ20桿身底部，如圖1所示。

圖1 斷裂曲軸全貌 圖2 斷口全貌

對其斷口進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，斷口基本上與軸的軸線垂直，斷口上無明顯的可見宏觀缺陷以及明顯的塑性變形[3]，晶粒細(xì)小，在斷口的局部區(qū)域存在銹斑。貝紋線在斷口上顯而易見，這表示曲軸的斷裂性質(zhì)是疲勞斷裂。疲勞源在桿身的R處產(chǎn)生，在疲勞源處存在多條細(xì)小臺階。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)有著明顯的貝紋線[4]，貝紋線由凸形向扁平狀發(fā)展到貝紋線直至模糊，縱觀全部斷口發(fā)現(xiàn)，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)所占的比例最大。瞬時斷裂區(qū)在疲勞源區(qū)的對面偏轉(zhuǎn)一定的角度且偏轉(zhuǎn)的角度較大。瞬時斷裂區(qū)的表面較粗糙，表面上面有撕裂形成的臺階，所占的面積較小，如圖2所示。

2 右曲軸理化分析及斷裂分析

2.1 右曲軸理化分析

(1) 化學(xué)成分分析

首先我們在斷裂曲軸上，用切割機(jī)切下一小塊，通過砂輪將切割表面磨平直至光亮，并將所磨的一面通過光譜儀進(jìn)行材料分析[5]。

分析發(fā)現(xiàn)斷裂曲軸的化學(xué)成分符合40Cr鋼的要求，結(jié)果(質(zhì)量分析)見表1。

表1 40Cr的化學(xué)成分和斷裂件的化學(xué)成分 /%

(2) 硬度試驗(yàn)

將所切割磨平的試樣進(jìn)行洛氏硬度試驗(yàn)，遵循打3個點(diǎn)記2個的準(zhǔn)則，通過洛氏硬度計(jì)測試，得到硬度為HRC23/23，符合HRC21-29的要求。

(3) 金相組織分析

在斷裂曲軸上截取試樣通過金相鑲嵌機(jī)進(jìn)行鑲嵌，然后以砂紙、白布、紅布的順序拋光，隨后腐蝕，并通過金相顯微鏡進(jìn)行分析，如圖3、4所示，斷口附近組織和組織為回火索氏體+少量的鐵素體+上貝氏體，按GB/T13320-2007評為5級。

圖3 400倍 圖4 400倍

(4) 非金屬夾雜物檢查

對斷口附近的非金屬夾雜物進(jìn)行檢查，按GB/T10561-2005標(biāo)準(zhǔn)A0.5，B0，C0，D1，符合技術(shù)要求，如圖5、6所示。

圖5 100倍 圖6 100倍

(5)R角檢查

由于曲軸斷口的位置在R處，此處的R值已無法檢測。對庫存品檢查，R值在0.75左右 ，如圖7，略低于圖紙規(guī)定R1的要求。

圖7 萬能工具顯微鏡下的R角

2.2 曲軸斷裂分析

(1) 經(jīng)上述分析可知，曲軸的材質(zhì)、硬度、金相組織、非金屬夾雜物都符合技術(shù)要求。

(2) 斷口與軸的軸線垂直，同時瞬時斷裂區(qū)在斷口的中間區(qū)域，從而判定曲軸是在旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力作用下引起的斷裂[6]。疲勞源在桿身的圓周上產(chǎn)生且存在多源，不同的疲勞源在不同圓周平面的不同部位萌生，在開始階段，不同疲勞裂紋相交處產(chǎn)生棘輪形狀，由于桿身直徑較小，在旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力的作用下，裂紋在不同平面擴(kuò)展，沒有相交，就產(chǎn)生了斷裂，因而斷口上沒有明顯的疲勞弧線，從而形成此斷口。

(3) 疲勞源在曲軸桿身R處出現(xiàn)多條細(xì)小臺階，這是由于不同的疲勞源擴(kuò)展相遇后產(chǎn)生的，出現(xiàn)多條細(xì)小臺階說明此處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，裂紋尖端前沿應(yīng)力場較大。R相當(dāng)于缺口，當(dāng)此處受到應(yīng)力時，缺口處并不受力，受力的是缺口根部，從而使局部應(yīng)力增大產(chǎn)生應(yīng)力集中。如圖8所示為受彎曲的階梯軸應(yīng)力集中情況，斷裂曲軸D=φ19，d=φ14,r=1,D/d=1.357,r/d=0.071,其R角處的應(yīng)力集中系數(shù)στ約等于1.75，即R角處的最大應(yīng)力是該處截面上的平均應(yīng)力的1.75倍。當(dāng)R角處r=0.75時，r/d=

圖8 受彎曲的階梯軸

0.053，從圖8可看出，其R角處應(yīng)力圖集中系數(shù)στ約1.9。在正常受力情況下，R角很容易受局部應(yīng)力作用而超過材料的斷裂強(qiáng)度。當(dāng)應(yīng)力超過此處的斷裂強(qiáng)度時將會產(chǎn)生裂紋，隨著曲軸的不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，在交變應(yīng)力的作用下裂紋不斷擴(kuò)展，當(dāng)承載面不足以承受此時的應(yīng)力時裂紋將會失穩(wěn)并快速擴(kuò)展產(chǎn)生撕裂，使曲軸產(chǎn)生早期疲勞斷裂。

(4) 瞬時斷裂區(qū)所占面積較小，說明曲軸在運(yùn)行過程中受到的應(yīng)力不大，曲軸斷裂為低名義應(yīng)力集中引起的早期疲勞斷裂。

2.3 右曲軸改進(jìn)措施

(1) 為確保曲軸的安全性，建議在設(shè)計(jì)允許的情況下，盡量增大R角[7]。斷裂曲軸的R角值低于規(guī)定要求車間生產(chǎn)時首件必須對此處R角進(jìn)行檢測，同時將R角值控制在中上差。

(2) 建議增大曲軸斷裂部位的直徑，將桿身尺寸φ14更改為φ15，增加此處的強(qiáng)度。參考同類產(chǎn)品此處的直徑都為φ15，從未發(fā)生過斷裂事故，如圖9。

圖9 φ14桿身位置

3 左曲軸宏觀檢查及分析

3.1 失效檢查

左軸曲軸斷裂的位置在左軸φ20桿身底部，如圖10。對其斷口進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，斷口齊平且與軸的軸線垂直，斷口上無明顯的可見宏觀缺陷以及塑性變形。兩個相匹配的斷口由于曲軸斷裂后產(chǎn)生機(jī)械損傷，但斷口上的一些細(xì)節(jié)還可辨別。斷口上有明顯的疲勞弧線，具有疲勞斷裂特征，因而曲軸斷裂為疲勞斷裂。疲勞源在桿身的R處產(chǎn)生，疲勞源處存在多條細(xì)小臺階，為多源疲勞斷裂[8]。疲勞源的對面一側(cè)較粗糙的區(qū)域?yàn)樗矔r斷裂區(qū)，所占面積較大，約占整個斷口的1/2。兩者的中間區(qū)域?yàn)槠诹鸭y擴(kuò)展區(qū)，此外疲勞弧線呈凹形擴(kuò)展且弧線間的間距較大，如圖11、12。斷裂曲軸桿身錐度處已產(chǎn)生磨損并與φ19桿形成臺階，如圖13。對右曲柄檢查發(fā)現(xiàn)，φ12桿身和花鍵附近φ19桿身一側(cè)存在明顯的摩擦痕跡，而另一側(cè)桿身與其上面的部件無明顯的接觸痕跡，如圖14、15。在φ20桿身附近的φ19桿身處也有明顯的摩擦痕跡并形成臺階，如圖16。

圖10 曲軸斷裂全貌 圖11 疲勞區(qū)一

圖12 疲勞區(qū)二 圖13 曲軸臺階

圖14 摩擦痕跡 圖15 輕微的接觸痕跡 圖16 摩擦產(chǎn)生臺階

3.2 左曲軸斷裂分析

左曲軸理化分析與右曲軸相同，亦采用相同的化學(xué)成分、硬度實(shí)驗(yàn)、金相組織、非金屬夾雜物以及R角檢查等分析方法，使用專業(yè)設(shè)備儀器對斷裂處進(jìn)行實(shí)驗(yàn)查看，得出與右曲軸相同結(jié)論。并對左曲軸的斷裂進(jìn)行分析。

(1) 經(jīng)分析得出，曲軸的材質(zhì)、硬度、金相組織、非金屬夾雜物以及R角都符合技術(shù)要求。

(2) 斷口與軸的軸線垂直，瞬時斷裂區(qū)在疲勞源的對面一側(cè)，從而判定曲軸是在單向彎曲應(yīng)力作用下引起的斷裂。疲勞源在曲軸桿身R處，出現(xiàn)多條細(xì)小臺階，是由于不同的疲勞源擴(kuò)展相遇后產(chǎn)生的，疲勞源處出現(xiàn)多條細(xì)小臺階說明此處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，裂紋尖端前沿應(yīng)力場較大。R相當(dāng)于缺口，當(dāng)此處受到應(yīng)力時，缺口處并不受力，受力的是缺口根部，從而使局部應(yīng)力增大產(chǎn)生應(yīng)力集中。根據(jù)應(yīng)力集中手冊，參照圖8,受彎曲的階梯軸應(yīng)力集中情況，斷裂曲軸D=φ29，d=φ20,r=0.99,D/d=1.45,r/d=0.049 5,其R角處的應(yīng)力集中系數(shù)στ約等于2.1左右，即R角處的最大應(yīng)力是該處截面上平均應(yīng)力的2.1倍。在正常受力情況下，R角處受局部應(yīng)力作用而超過材料的斷裂強(qiáng)度，當(dāng)應(yīng)力超過此處的斷裂強(qiáng)度時將會產(chǎn)生裂紋，隨著曲軸的不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，在交變應(yīng)力的作用下裂紋不斷擴(kuò)展，當(dāng)承載面不足以承受此時的應(yīng)力時裂紋將會失穩(wěn)并快速擴(kuò)展產(chǎn)生撕裂，使曲軸產(chǎn)生早期疲勞斷裂。

(3) 瞬時斷裂區(qū)所占面積較大，約占整個斷口的1/2且疲勞弧線呈凹形擴(kuò)展，弧線間的間距較大，說明曲軸運(yùn)行時受到的應(yīng)力較大，裂紋擴(kuò)展迅速。斷裂曲軸桿身錐度處已產(chǎn)生磨損并與φ19桿形成臺階，φ12桿身和花鍵附近φ19桿身一側(cè)存在明顯的摩擦痕跡，而另一側(cè)桿身與其上面的部件無明顯的接觸痕跡，φ20桿身附近的φ19桿身處也有明顯的摩擦痕跡并形成臺階，說明曲軸桿身與其上面的部件存在接觸不良的現(xiàn)象，使曲軸產(chǎn)生了附加應(yīng)力。φ12桿身和花鍵附近φ19桿身一側(cè)存在明顯的摩擦痕跡，而另一側(cè)桿身與其上面的部件無明顯的接觸痕跡，將會使曲軸整體受到附加彎曲應(yīng)力作用，此彎曲應(yīng)力正好與斷裂曲軸受到的應(yīng)力方向一致。發(fā)動機(jī)以曲軸轉(zhuǎn)速8 500 rpm，油門全開運(yùn)行46 h，曲軸無問題，當(dāng)空載高速10 000 rpm運(yùn)行7 min時發(fā)動機(jī)異常曲軸斷裂，說明此時曲軸運(yùn)行載荷過高，受到的應(yīng)力已超過曲軸的斷裂強(qiáng)度，形成過載，同時在附加應(yīng)力的作用下以及R處產(chǎn)生應(yīng)力集中最終曲軸產(chǎn)生高應(yīng)力低周期疲勞斷裂。因此左曲軸斷裂為高應(yīng)力低周疲勞斷裂，試驗(yàn)時應(yīng)力過高產(chǎn)生過載以及φ20桿身底部R處產(chǎn)生應(yīng)力集中是引起曲軸斷裂的主要原因。

3.3 左曲軸改進(jìn)措施

(1) 為確保曲軸的安全性，建議在設(shè)計(jì)允許的情況下，盡量增大R角。斷裂曲軸的R角值低于規(guī)定要求，車間生產(chǎn)時首件必須對此處R角進(jìn)行檢測，同時將R角值控制在中上差。

(2) 建議增大曲軸斷裂部位的直徑，將桿身尺寸φ20更改為φ25，從而增加此處的強(qiáng)度。參考同類產(chǎn)品此處的直徑都為φ25，從未發(fā)生過斷裂事故。

4 結(jié) 語

重點(diǎn)對QJ150FMH摩托車曲軸的早期斷裂失效進(jìn)行分析和研究，開展了相應(yīng)的斷裂處實(shí)驗(yàn)檢查，利用金屬件失效分析的常用檢測技術(shù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行分析。全面介紹了QJ150FM摩托車曲軸失效情況，并通過分析發(fā)現(xiàn)承載面不足、使用方法不當(dāng)、受力面過小等問題導(dǎo)致產(chǎn)生了應(yīng)力集中從而使曲軸發(fā)生斷裂。在后續(xù)的生產(chǎn)過程中需要改進(jìn)以上問題，以達(dá)到安全生產(chǎn)和使用的要求。