汽車發(fā)動機曲軸扭轉疲勞失效形式與原因分析

劉紅福，周先忠，于秋明，孫 軍，倪培相

(天潤曲軸股份有限公司，山東 文登 264400)

0 引言

曲軸是汽車發(fā)動機最重要的零件之一，運轉中的受力情況非常復雜，承受著彎曲、扭轉和壓縮等載荷的作用。這些載荷不僅數(shù)值較大，而且一般呈周期性變化，容易引起曲軸的扭轉和彎曲變形甚至產(chǎn)生裂紋和斷裂［1-2］。曲軸形狀復雜，主軸頸與連桿頸的連接過渡圓角、連桿頸油孔加工部位等不可避免存在著應力集中，容易產(chǎn)生裂紋并導致曲軸失效，且一旦損壞后往往會造成嚴重的后果，引起其他重要機件的毀損。

彎曲疲勞斷裂和扭轉疲勞斷裂是發(fā)動機曲軸最主要的兩種失效形式。對于彎曲疲勞失效，往往比較重視并進行了大量研究［3-4］，而對于扭轉疲勞失效，由于失效比例低，加之疲勞試驗條件的限制，沒有得到足夠重視，很少有人對其進行研究。近年來，隨著曲軸扭轉疲勞失效故障的增多，發(fā)動機廠家和曲軸生產(chǎn)廠家越來越重視曲軸的抗扭轉疲勞強度。因此，總結曲軸的扭轉疲勞失效模式，分析失效原因并提出改進措施，對指導曲軸生產(chǎn)、提高其抗扭轉疲勞強度非常有意義也十分必要。本研究結合近年來曲軸疲勞試驗中的案例，介紹汽車發(fā)動機曲軸常見的扭轉疲勞失效模式，并進行原因分析，旨在對曲軸的生產(chǎn)加工及相關行業(yè)起到一定的借鑒作用。

1 扭轉疲勞失效概述

曲軸的疲勞是指曲軸在變動載荷作用下，經(jīng)過較長應力循環(huán)周次運轉后由于累積損傷而引起的突然失效或破壞的現(xiàn)象。按照曲軸所受應力狀態(tài)不同可分為彎曲疲勞和扭轉疲勞。

曲軸扭轉疲勞試驗是指曲軸在一定的扭轉交變載荷作用下循環(huán)一定周次是否發(fā)生失效的耐久試驗，主要考察曲軸的抗扭轉疲勞能力。曲軸扭轉疲勞試驗是在特定的曲軸扭轉疲勞試驗機上進行，試驗頻率為系統(tǒng)的共振頻率，通過試驗機施加在試樣上一個圓周方向的扭轉載荷，載荷為正弦波，每個試樣在一個固定的載荷下運行至一定的循環(huán)次數(shù)判斷其是否失效。扭轉疲勞失效是指試樣在往復的扭轉載荷作用下，未達到予定的循環(huán)次數(shù)試樣就發(fā)生破壞的一種失效形式。

在曲軸疲勞試驗過程中，由于試樣各部位應力集中程度的不同，失效位置也會不同。應力比較集中的部位容易首先產(chǎn)生裂紋，引起失效［5］。曲軸在扭轉疲勞試驗過程中，曲軸受到與圓周方向相同的外力作用，此時，曲軸有呈扭曲狀態(tài)的趨勢，連桿頸斜油孔處是應力最集中的部位［6］，是曲軸扭轉疲勞的主要失效部位，但個別曲軸由于本身缺陷造成缺陷部位應力集中程度大于斜油孔處。因此，曲軸扭轉疲勞的主要失效部位一般在連桿頸斜油孔處，裂紋與軸向成45°分布。曲軸彎曲疲勞受到與軸向垂直、與主軸頸和曲柄銷中心線所在平面平行的外力作用，曲柄銷與曲柄臂的過度圓角處是應力最集中的部位。曲軸彎曲疲勞的主要失效部位在曲柄臂與曲柄銷過渡圓角處，失效特征為平行于圓周方向的周向裂紋。

2 失效形式及分析

以各種不同型號的扭轉疲勞試驗失效曲軸為例，闡述曲軸扭轉疲勞的失效形式，并分析導致失效的原因。

2.1 設計不合理導致失效

材質為48MnV 非調(diào)質鋼的鍛鋼曲軸，主要表面強化工藝為軸頸+圓角中頻感應淬火。曲軸在14.5 kN·m 的扭轉試驗載荷下，循環(huán)143 萬次在曲柄臂處產(chǎn)生裂紋，見圖1。試驗后探傷發(fā)現(xiàn)，該批次曲軸扭轉失效位置均在主軸頸與連桿頸相連接的曲柄臂處，該處有鍛造鋼印號(凸出或凹陷)，裂紋恰好經(jīng)過此處。

由斷口形貌分析發(fā)現(xiàn)，疲勞裂紋的起始位置位于曲柄臂側面的鋼印號處，從表面向內(nèi)部延伸(圖2)。把斷口磨平后制成金相試樣，觀察金相組織。經(jīng)組織觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋源處(鍛造標識位置)有明顯的氧化物夾雜，而且表面發(fā)生脫碳(圖2c)?；w組織為正常的珠光體+鐵素體組織，晶粒大小比較均勻，晶粒度符合技術要求?？梢?，曲軸扭轉疲勞斷裂是由于曲柄臂表面鍛造標識處的氧化物夾雜和表面脫碳導致。

圖1 曲柄臂扭轉裂紋Fig.1 Torsional crack of crank web

曲柄臂上無論是凸出或凹陷的鍛造標識，都會造成該處應力集中甚至鍛造缺陷，因此在扭轉疲勞載荷下裂紋首先從有標識的曲柄臂處產(chǎn)生并最終失效。

圖2 斷口形貌Fig.2 Morphology of fracture

圖3 裂紋源微觀組織Fig.3 Microstructure of crack source

2.2 毛坯表面凹陷導致失效

材質為42CrMoA 的鍛鋼曲軸，主要表面強化工藝為軸頸+圓角中頻感應淬火。曲軸在10 kN·m扭轉試驗載荷下，循環(huán)94 萬次在曲柄臂處產(chǎn)生裂紋，見圖4。

圖4 曲柄臂扭轉疲勞裂紋Fig.4 Torsional fatigue crack at crank web

經(jīng)宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，曲柄臂表面有一個凹槽，裂紋恰好經(jīng)過凹槽最底處(圖5a)。切割裂紋部位并解剖，發(fā)現(xiàn)裂紋源在曲柄臂表面缺陷處，由表面向內(nèi)部擴展(圖5b)。曲柄臂的凹槽缺陷容易引起應力集中，在交變扭轉載荷作用下，缺陷處應力集中加劇，當應力集中程度超過了材料本身的抗應力水平，便產(chǎn)生了裂紋［7］，隨著裂紋的不斷擴展曲軸發(fā)生斷裂失效。曲軸毛坯的凹槽缺陷是由于毛坯在鍛造過程中材料流動補充不足或模具內(nèi)表面有氣體導致曲軸毛坯最表面材料無法填充完全引起缺陷。

2.3 鍛造夾雜導致失效

材質為38MnVS6 的鍛鋼曲軸，主要表面強化工藝為軸頸+圓角中頻感應淬火。曲軸在16.5 kN·m 扭轉試驗載荷下，循環(huán)367 萬次在連桿頸下止點處產(chǎn)生裂紋，裂紋與曲軸軸向平行，主裂紋較粗較長，橫穿整個連桿軸頸，主裂紋兩側有較多鋸齒狀分叉，連桿頸兩側圓角處分叉較嚴重，見圖6。經(jīng)過大量試驗和計算得出，曲軸扭轉疲勞失效的正常位置在連桿頸斜油孔處，裂紋與軸向成45°［8］，因此此處的失效形式屬于異?，F(xiàn)象。

圖5 裂紋及斷口宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of crack and fracture

經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，連桿頸裂紋位置恰好是曲軸分模面處，且裂紋位置有較多的夾雜物(圖7)。曲軸分模面是鋼材開始熱模鍛成形時多余金屬流出形成飛邊的中心面。鍛件整個形變過程原材料中心部位的缺陷和夾雜物朝分模面和飛邊匯集而密布于切邊處。對于鍛造可變形的非金屬夾雜物，如硫化物和多數(shù)硅酸鹽等，在分模面順金屬延伸方向而呈片狀形式存在;對于鍛造不可變形的非金屬夾雜物，如氧化物和氮化物等，則在分模面順金屬延伸方向而呈面網(wǎng)狀集團形式存在，從而引起金屬在分模面處分層［9］。由于以上原因導致分模面成為抗撕裂能力極差的層狀結構組織，即“弱面”。分模面處過多的夾雜物導致晶粒間的結合力弱，強度降低［10］。在扭轉載荷作用下，該處應力集中并提前達到材料的疲勞極限應力，導致裂紋產(chǎn)生并失效。

圖6 連桿頸下止點扭轉裂紋Fig.6 Torsional crack at bottom center of rod journal

圖7 裂紋處金相照片F(xiàn)ig.7 Metallograph at crack side

2.4 油孔加工缺陷導致失效

材質為QT900－5 的球墨鑄鐵曲軸，主要表面強化工藝為軸頸+圓角滾壓。曲軸在9 kN·m扭轉試驗載荷下，循環(huán)67 萬次在連桿頸斜油孔處產(chǎn)生裂紋，裂紋方向與軸向約成45°，見圖8。

沿斜油孔裂紋剖開后，觀察斷面形貌，發(fā)現(xiàn)裂紋源在斜油孔內(nèi)部離軸頸表面不遠處(圖9)，此處為人工修理斜油孔時導致的缺陷。斜油孔處本身就是曲軸在扭轉載荷下應力最集中的地方，加之缺陷的存在，使應力更加集中，導致曲軸在較低載荷下發(fā)生扭轉疲勞開裂。

2.5 斜油孔失效

材質為42CrMoA 的鍛鋼曲軸，主要表面強化工藝為軸頸+圓角中頻感應淬火。曲軸在1.4 kN·m扭轉試驗載荷下，循環(huán)150 萬次在連桿頸斜油孔處產(chǎn)生裂紋，裂紋方向與軸向約成45°，見圖10。

圖8 扭轉疲勞裂紋Fig.8 Torsional fatigue crack

圖9 斜油孔內(nèi)壁裂紋源Fig.9 Crack source at inwall of oil hole

圖10 斜油孔裂紋Fig.10 Crack at oil hole

沿斜油孔裂紋剖開后觀察斷面形貌，發(fā)現(xiàn)裂紋源在斜油孔內(nèi)壁離軸頸表面約10 mm 處，油孔內(nèi)壁加工情況良好，沒有明顯缺陷(圖11)。在循環(huán)載荷下，油孔內(nèi)壁是應力最集中的地方，容易引起疲勞開裂［11］。裂紋源在軸頸淬硬層以下，而不在淬火區(qū)和淬火透熱區(qū)，裂紋與淬火情況無關。該曲軸扭轉失效屬于正常的扭轉失效形式。

圖11 油孔內(nèi)壁裂紋源Fig.11 Crack source at inwall of oil hole

3 改進措施

1)在曲軸初始設計階段，要結合發(fā)動機各項參數(shù)，綜合考慮，制定合理設計方案、設計模型，反復模擬試驗，確定最優(yōu)的設計結構和尺寸。

2)對于已經(jīng)設計定型的新產(chǎn)品曲軸，要想達到較高的扭轉疲勞強度，需要選擇較好的材料;提高鑄造、鍛造毛坯表面質量;采用合理的毛坯熱處理工藝提高基體強度;優(yōu)化油孔加工工藝提高油孔加工質量。

3)對于批量生產(chǎn)并在裝機使用過程中常發(fā)生扭轉疲勞斷裂的曲軸，要提高曲軸抗扭轉疲勞強度，需要做到如下幾點:一要改進毛坯鑄造、鍛造技術，提高毛坯表面質量;二要加強熱處理工藝控制，提高曲軸基體強度;三要加強連桿斜油孔的生產(chǎn)過程控制，保證斜油孔內(nèi)壁的加工質量。

4 結論

1)曲軸扭轉疲勞失效位置一般發(fā)生在連桿頸斜油孔、曲柄臂和連桿頸下止點3 處，連桿頸斜油孔處屬于正常失效位置，曲柄臂和連桿頸下止點屬于非正常失效位置。

2)對于連桿頸斜油孔處失效，裂紋源一般在油孔內(nèi)壁距軸頸表面約10 mm 位置，主要與曲軸的結構尺寸和材料有關，與淬火熱處理無關。

3)對于曲柄臂和連桿軸頸失效，曲柄臂失效主要是由毛坯外表面質量缺陷導致的，連桿軸頸失效主要是由毛坯材質缺陷導致的。缺陷部位疲勞極限應力較低，試驗過程中試驗載荷使曲軸局部產(chǎn)生的拉應力容易提前達到缺陷部位的應力極限，導致該處產(chǎn)生裂紋，使曲軸在較低載荷下提前失效。

［1］楊連生.內(nèi)燃機設計［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1981:188－191.

［2］Hou X Q，Li Y，Jiang T.Fracture failure analysis of ductile cast iron crankshaft in a vehicle engine［J］.Journal of Failure Analysis and Prevention，2011，11(1):10－16.

［3］孫捷，王麗遠，曹新鑫，等.汽車發(fā)動機曲軸斷裂失效分析［J］.金屬熱處理，2004，29(12):79－81.

［4］徐延海，賈麗萍，張建武.曲軸的疲勞斷裂分析［J］.機械強度，2002，24(4):594－598.

［5］王平，高德平.柴油機曲軸的工作可靠性研究［J］.機械科學與技術，2003，22(增刊):57－58.

［6］成有.黃海波.汪建忠.柴油機曲軸疲勞強度影響因素研究分析［J］.西華大學學報，2007，26(1):12－14.

［7］周迅，俞小莉.曲軸疲勞裂紋擴展規(guī)律測試及形成機理分析［J］.機械工程學報，2008，44(1):238－242.

［8］馮繼軍，郭文芳.汽車發(fā)動機曲軸常見的失效形式及原因分析［J］.失效分析與預防，2006，1(2):7－12.

［9］葉陽.非調(diào)質鋼曲軸模鍛成形工藝研究［D］.重慶:重慶理工大學，2012:31－32.

［10］付饒，杜風貞，武志勇.大型鍛造法蘭脆性開裂原因分析［J］.失效分析與預防，2012，7(4):257－261.

［11］邵詩波，李雪鵬.曲軸扭轉疲勞斷裂分析［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2010(5):52－54.