發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸耐久實(shí)驗(yàn)斷裂失效分析

陳磊，羅維賢，羅海鵬，邢陽(yáng)，俞雁

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院,廣東廣州 511434)

0 引言

曲軸作為汽車的動(dòng)力輸出元件，其主要作用是將活塞往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),同時(shí)將活塞所作的功轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏门ぞ?。曲軸承受氣體慣性力、往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力等共同作用的交變應(yīng)力。 一般情況下，曲軸的主要失效模式為彎曲疲勞斷裂、扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂和軸頸異常磨損[1-4]。

某汽車公司開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)曲軸斷裂，斷裂位置位于連桿軸頸與第一曲柄交界處。為分析曲軸斷裂原因，對(duì)失效曲軸開(kāi)展了化學(xué)成分、硬度、宏觀及微觀形貌、金相組織、夾雜物等方面的分析。

1 曲軸生產(chǎn)工藝

曲軸的材料牌號(hào)為42CrMoA，生產(chǎn)工藝流程為，下料、鍛造、調(diào)質(zhì)處理(淬火溫度870 ℃，回火溫度610 ℃)、拋丸處理、機(jī)械加工、表面感應(yīng)淬火、滾壓、涂油。

2 分析內(nèi)容與結(jié)果

2.1 化學(xué)成分

在曲軸(42CrMoA)斷口附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果表明該曲軸的化學(xué)成分合格，具體成分見(jiàn)表1。

表1 曲軸化學(xué)成分測(cè)試(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

2.2 硬度

在連桿軸頸附近取樣進(jìn)行表面硬度、心部硬度、有效硬化層深度測(cè)試，心部硬度處于技術(shù)要求的上限，有效硬化層深度處于技術(shù)要求的下限，見(jiàn)表2。

表2 曲軸硬度測(cè)試

2.3 斷口分析

2.3.1 宏觀斷口分析

曲軸工作過(guò)程中主要承受交變的彎曲-扭轉(zhuǎn)載荷和一定的沖擊載荷，軸頸的表面還受到磨損。觀察斷口發(fā)現(xiàn)，裂紋出現(xiàn)在連桿軸頸處與曲柄交接處(尺寸過(guò)渡區(qū))，軸頸處存在明顯的變形，裂紋沿軸頸交界處呈周向擴(kuò)展，導(dǎo)致曲柄的開(kāi)裂[見(jiàn)圖1(a)(b)(c)]。

通過(guò)對(duì)斷裂部位進(jìn)行宏觀分析，發(fā)現(xiàn)斷口呈典型的疲勞斷裂貝殼紋。根據(jù)貝紋線的擴(kuò)展方向以及形態(tài)，將斷口分為A、B、C 3個(gè)區(qū)域，其中A區(qū)(連桿頸與曲柄交接處邊緣)為裂紋源區(qū)，表面有磨平的痕跡；B區(qū)為裂紋擴(kuò)展區(qū)，占整個(gè)斷裂面的90%以上，表明整個(gè)斷裂過(guò)程應(yīng)力較??；C區(qū)為瞬時(shí)斷裂區(qū)[見(jiàn)圖1(d)]；斷口的另一側(cè)的3個(gè)區(qū)域分別為A′、B′、C′[見(jiàn)圖1(e)]；裂紋的擴(kuò)展方向見(jiàn)箭頭所示。整個(gè)斷口無(wú)明顯的扭轉(zhuǎn)變形，推測(cè)曲軸主要是受彎曲載荷引起的疲勞斷裂。

圖1 曲軸宏觀斷口形貌

2.3.2 微觀斷口分析

通過(guò)對(duì)裂紋源A區(qū)進(jìn)行微觀形貌觀察，發(fā)現(xiàn)在失效件表面存在金屬塑性變形的痕跡，這是對(duì)連桿頸表面進(jìn)行滾壓強(qiáng)化工藝產(chǎn)生的塑性變形(見(jiàn)圖2)。B區(qū)為裂紋擴(kuò)展區(qū)，存在疲勞的輝紋及多處近似平行的裂紋，呈解理疲勞擴(kuò)展(見(jiàn)圖3、圖4)。C區(qū)為瞬斷區(qū)形貌，形貌呈撕裂韌窩(見(jiàn)圖5)[5]。

圖2 A區(qū)微觀形貌

圖3 B區(qū)微觀形貌(一)

圖4 B區(qū)微觀形貌(二)

圖5 C區(qū)微觀形貌

2.4 金相組織

連桿軸頸表面組織(見(jiàn)圖6)是細(xì)馬氏體，按照J(rèn)B/T 9204-2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)級(jí)，馬氏體級(jí)別為5級(jí)，未發(fā)現(xiàn)貝氏體組織。心部組織(見(jiàn)圖7)為回火索氏體，按照GB/T 13320-2007標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)級(jí)，回火索氏體級(jí)別為1級(jí)，未發(fā)現(xiàn)魏氏體組織。由此可見(jiàn)，連桿軸頸的金相組織符合技術(shù)要求。

圖6 連桿頸表面金相組織(400×) 圖7 連桿頸心部金相組織(400×)

曲柄的金相組織(見(jiàn)圖8)表面存在110～140 μm的半脫碳層，滿足技術(shù)要求脫碳層低于1 mm的要求，心部組織(見(jiàn)圖9)為回火索氏體，局部區(qū)域存在羽毛狀的貝氏體組織[6]。

圖8 曲柄表面金相(400×) 圖9 曲柄心部金相組織(400×)

在裂紋源A區(qū)交界處切取試樣進(jìn)行金相觀察，切割位置及方向如箭頭所示(見(jiàn)圖10)。觀察表明：裂紋源附近表面存在很多微裂紋，裂紋筆直，兩側(cè)未發(fā)生明顯脫碳(見(jiàn)圖11、圖12)，符合淬火裂紋的特征，推測(cè)是調(diào)質(zhì)處理過(guò)程中的淬火裂紋；在連桿軸頸與曲柄交界處(拐角處)發(fā)現(xiàn)有一條深度大約1.6 mm長(zhǎng)度的裂紋(見(jiàn)圖13、圖14)，同時(shí)在裂紋的內(nèi)側(cè)發(fā)現(xiàn)存在有灰色的氧化皮，推測(cè)是調(diào)質(zhì)處理過(guò)程中高溫回火引起的氧化皮(見(jiàn)圖15)。拐角處是幾何過(guò)渡區(qū)，應(yīng)力較大，加快了裂紋的擴(kuò)展，在裂紋的兩側(cè)存在二次裂紋開(kāi)裂現(xiàn)象[7]。

圖10 斷裂源取樣處 圖11 表面金相(400×)

圖12 表面金相(400×) 圖13 裂紋金相(400×)

圖14 拐角處裂紋 圖15 拐角處裂紋

2.5 非金屬夾雜物分析

按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB /T 10561-2005對(duì)曲軸材料進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)定，結(jié)果如表3所示，局部區(qū)域存在少量金黃色的TiN，夾雜物含量滿足技術(shù)要求。

表3 非金屬夾雜物測(cè)試

3 分析&結(jié)論

(1)通過(guò)理化分析，曲軸的化學(xué)成分及夾雜物含量符合技術(shù)要求，說(shuō)明不是原材料問(wèn)題導(dǎo)致的開(kāi)裂。

(2)曲軸的心部硬度偏高，處于技術(shù)要求(280～314HB)的上限值，這說(shuō)明調(diào)質(zhì)過(guò)程中的回火工藝存在優(yōu)化空間；表面硬化層深度處于技術(shù)要求(2.0～4.0 mm)的下限值(2.00 mm)，這說(shuō)明材料的表面感應(yīng)淬火工藝需調(diào)整，以增加硬化層的深度。

(3)曲軸裂紋起源于第一連桿軸頸與曲柄的交界處，裂紋沿軸頸交界處呈周向擴(kuò)展，最后在曲柄處開(kāi)裂。斷裂面分3個(gè)區(qū)，起源區(qū)有磨平以及塑性變形的痕跡，塑性變形是由滾壓工藝產(chǎn)生。擴(kuò)展區(qū)呈貝殼狀疲勞輝紋，同時(shí)發(fā)現(xiàn)有近似平行的裂紋，擴(kuò)展區(qū)占整個(gè)斷裂面的90%以上。瞬斷區(qū)呈撕裂韌窩狀，占比較小，非一次性斷裂。斷口形貌符合彎曲疲勞斷裂的特征，推測(cè)曲軸的斷裂主要是彎曲疲勞斷裂。

(4)通過(guò)金相組織分析觀察，裂紋源附近的連桿軸頸與曲柄處表面存在多處裂紋，表面裂紋筆直，兩側(cè)無(wú)脫碳現(xiàn)象，為淬火裂紋，拐角處存在應(yīng)力集中的擴(kuò)展裂紋，長(zhǎng)度大約1.6 mm；連桿軸頸表面組織為馬氏體，心部組織回火索氏體。曲柄組織為回火索氏體，局部區(qū)域存在少量的貝氏體，表面存在約110～140 μm的半脫碳層，微觀金相組織滿足技術(shù)要求。

綜上所述，曲軸是由于表面的淬火裂紋以及連桿頸與曲柄交界處的應(yīng)力集中引起的彎曲疲勞斷裂。

4 整改建議

(1)優(yōu)化調(diào)質(zhì)處理工藝參數(shù)，調(diào)整淬火工藝，杜絕淬火裂紋的產(chǎn)生。通過(guò)提高回火溫度及延長(zhǎng)回火時(shí)間的方式優(yōu)化高溫回火工藝，改善心部硬度偏高現(xiàn)象。

(2)優(yōu)化感應(yīng)淬火的參數(shù)(電流的頻率及加熱時(shí)間)，將曲軸連桿頸的表面硬化層的深度提高至2.0～4.0 mm。

(3)增加表面熒光磁粉探傷比例，以及早發(fā)現(xiàn)潛在的表面裂紋失效。

(4)優(yōu)化過(guò)渡區(qū)圓角，通過(guò)仿真軟件模擬分析圓角應(yīng)力集中區(qū)域的加載情況，科學(xué)設(shè)計(jì)以降低拐角區(qū)域的應(yīng)力。