汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸斷裂分析

侯學(xué)勤 ， 陸 菁

（1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空工業(yè)失效分析中心，北京 100095；3.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；5.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095；6.中科信工程咨詢（北京）有限責(zé)任公司，北京 100037）

0 引言

曲軸是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的零件之一。曲軸工作過程中承受氣體作用力、往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力以及它們產(chǎn)生的力矩。這些彎曲、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和由它們引起的二次振動(dòng)在曲軸上產(chǎn)生巨大而復(fù)雜的應(yīng)力，容易引起曲軸的扭轉(zhuǎn)和彎曲變形，甚至產(chǎn)生裂紋和斷裂[1]。曲軸在實(shí)際生產(chǎn)和使用過程中，往往還存在諸如主軸頸與連桿頸的連接過渡圓角、連桿頸油孔加工或設(shè)計(jì)不合理、熱處理不當(dāng)?shù)群芏嗖蛔?，使得曲軸常常發(fā)生早期疲勞斷裂[2-5]。曲軸疲勞斷裂是突發(fā)性斷裂，且常常導(dǎo)致連桿、飛輪等零件產(chǎn)生連帶損傷，甚至導(dǎo)致整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢，給汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造商和用戶帶來較大損失。

由鑄造疏松、熱處理強(qiáng)度不足等單一、明顯缺陷引起的曲軸疲勞斷裂比較容易找到斷裂原因。而曲軸斷裂更多情況下是多種因素綜合作用引起。如何對(duì)引起曲軸疲勞斷裂的各因素進(jìn)行綜合分析，區(qū)別主要因素和次要因素，是曲軸斷裂分析中值得研究的問題。另外，如何分析、確認(rèn)一些不易查找的引起曲軸疲勞斷裂的因素如圓角滾壓不良，也需深入研究。

曲軸圓角滾壓是在曲軸的曲柄與主軸頸、曲柄與連桿軸頸之間的圓角上采用滾壓輪旋轉(zhuǎn)加壓進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)化，使拐點(diǎn)圓角處產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，同時(shí)降低圓角表面的粗糙度，是一種有效提高曲軸疲勞強(qiáng)度的先進(jìn)技術(shù)。常見的曲軸圓角滾壓不良有表面殘余壓應(yīng)力較小或不均勻、表面粗糙度較大及滾壓凸起等。這些缺陷常常導(dǎo)致曲軸早期疲勞斷裂、軸瓦異常磨損等故障[6]。曲軸生產(chǎn)企業(yè)及相關(guān)機(jī)構(gòu)從滾壓工藝相關(guān)的內(nèi)容如滾壓力、滾壓圈數(shù)、曲軸材料強(qiáng)度以及變形能力等方面，就如何提高圓角滾壓質(zhì)量進(jìn)行了大量研究，掌握了一定的提高曲軸圓角滾壓質(zhì)量的方法[7-9]；但就曲軸圓角滾壓質(zhì)量的表征，特別是對(duì)滾壓不良引起的曲軸疲勞斷裂的研究不夠，常常無法快速將斷裂原因定位在滾壓不良。

本研究針對(duì)一件試驗(yàn)約600 h 后發(fā)生斷裂的曲軸，綜合運(yùn)用斷口宏微觀觀察、表面粗糙度（Ra、Rz）測(cè)量、殘余應(yīng)力測(cè)試及截面金相觀察技術(shù)，分析曲軸斷裂原因，并對(duì)軸頸滾壓質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法提出改進(jìn)建議。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

曲軸外觀見圖1，斷裂發(fā)生在第4 連桿軸頸部位，斷裂位置無明顯宏觀塑性變形，斷口附近的連桿軸頸周向可見不均勻劃痕。

圖1 曲軸外觀及斷裂位置Fig.1 Appearance and fracture position of the crankshaft

1.1 斷口觀察

曲軸斷口宏觀形貌見圖2，斷面整體與曲軸軸向約呈45°，源區(qū)臺(tái)階面特征明顯，可見向外的放射狀疲勞弧線，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)斷面較平整，瞬斷區(qū)斷面較粗糙，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)約占斷口整體面積的90%。斷口整體呈彎曲疲勞斷裂特征，但是從斷面存在扭曲和翹曲特征來看，斷裂過程中還受到一定的扭轉(zhuǎn)載荷作用[10-12]。

圖2 曲軸斷口宏觀形貌及源區(qū)位置Fig.2 Fracture surface appearances and crack origin of the crankshaft

曲軸斷裂起源于連桿軸頸圓角遠(yuǎn)離扇板一側(cè)邊緣（非應(yīng)力集中最大的圓角底部區(qū)域），見圖3，呈多源斷裂，源區(qū)可見光潔平面及臺(tái)階面，而光潔平面分列于臺(tái)階面兩側(cè)，這表明曲軸可能是在較大應(yīng)力作用下率先從臺(tái)階面區(qū)域萌生裂紋，而后臺(tái)階面兩側(cè)區(qū)域也萌生了裂紋。裂紋擴(kuò)展前期大致可分為3 個(gè)特征明顯不同的區(qū)域：放射棱線區(qū)、平行條紋區(qū)和弧線區(qū)。放射棱線區(qū)斷面較平整，可見放射棱線特征；平行條紋區(qū)主要為平行分布的條紋狀形貌，且條紋狀特征在后期逐漸在中間部位呈隆起狀；弧線區(qū)呈細(xì)密、清晰的弧線特征，此時(shí)弧線形貌呈由平行條紋區(qū)末端中間部位向外擴(kuò)展的半圓弧特征。裂紋擴(kuò)展前期的3 個(gè)分區(qū)特征表明，斷口形成初期應(yīng)經(jīng)歷了3 個(gè)不同的階段。

圖3 曲軸斷口源區(qū)Fig.3 Fracture origin of the crankshaft

1.2 金相檢查

在斷裂連桿軸頸位置制取金相試樣，根據(jù)GB/T 13320—2007《鋼質(zhì)模鍛件金相組織評(píng)級(jí)圖及評(píng)定方法》對(duì)曲軸基體和圓角組織進(jìn)行檢查。

曲軸基體組織見圖4，為回火索氏體，級(jí)別約為2 級(jí)。圓角組織為回火索氏體，可見沿圓角周向的擠壓變形及局部開裂（圖5）。曲軸組織未見異常。

圖4 曲軸基體組織Fig.4 Matrix microstructure of the crankshaft

圖5 圓角滾壓組織形貌及表面開裂Fig.5 Surface microstructure and cracks of the R angle

1.3 硬度檢測(cè)

在斷裂連桿軸頸位置制取試樣，對(duì)曲軸基體、圓角表面附近區(qū)域及淬火層進(jìn)行維氏硬度測(cè)量，根據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》換算為布氏硬度。曲軸基體硬度約為HBS 313，偏技術(shù)要求（HBS 269～314）上限。圓角硬度約為HBS 318，高出基體材料硬度技術(shù)要求。淬火層硬度約為HRC 54，符合HRC 52～58 的技術(shù)要求。

1.4 拉伸性能測(cè)試

在曲軸斷裂位置的平衡塊上制取φ5 mm 的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合技術(shù)要求。

1.5 軸頸圓角R 及表面粗糙度測(cè)量

分別在扇板側(cè)和連桿側(cè)的曲軸斷口附近及完整圓角、同根曲軸上未斷裂的2 個(gè)連桿的軸頸圓角位置進(jìn)行圓角尺寸測(cè)量，斷裂處的圓角半徑為1.45 mm，未斷裂軸頸的圓角半徑約為1.50 mm，均比技術(shù)要求的圓角半徑(1.6±0.05) mm 小。

扇板側(cè)曲軸斷口附近的圓角表面粗糙度Ra（在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，沿測(cè)量方向的輪廓線上的點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)之間距離絕對(duì)值的算術(shù)平均值）和Rz（在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，5 個(gè)最大輪廓峰高的平均值和5 個(gè)最大輪廓谷深的平均值之和）測(cè)量結(jié)果表明，斷口源區(qū)附近的圓角表面因刮擦較重而粗糙度Ra為3.3135 μm（較大），Rz為18.4950 μm，Rz/Ra=5.6（較大）；較完好的瞬斷區(qū)附近的圓角表面粗糙度Ra為0.4720 μm（較?。?，Rz為2.9350 μm，Rz/Ra=6.2（較大）。所以，曲軸圓角的表面粗糙度Ra可能滿足技術(shù)要求，但各區(qū)域Rz/Ra均較大。

1.6 殘余應(yīng)力測(cè)量

在曲軸斷口源區(qū)附近、瞬斷區(qū)、源區(qū)與瞬斷區(qū)之間相對(duì)的完整圓角，同根曲軸上未斷裂的2 個(gè)連桿的軸頸圓角周向均勻分布的4 點(diǎn)位置（第1 點(diǎn)在軸頸圓周上的位置與曲軸斷口源區(qū)在軸頸圓周上的位置對(duì)應(yīng)，相鄰兩點(diǎn)沿圓周方向間隔90°）測(cè)量殘余應(yīng)力，結(jié)果分別見表1 和表2，除斷口瞬斷區(qū)圓角為拉應(yīng)力外，其余測(cè)試位置均為壓應(yīng)力，且應(yīng)力大小分布不均勻，曲軸斷口附近圓角的壓應(yīng)力普遍偏小。

2 分析與討論

曲軸斷裂無明顯宏觀塑性變形，斷口宏觀形貌可見疲勞弧線，微觀形貌可見疲勞條帶，斷面整體與其軸向約呈45°，疲勞源區(qū)與瞬斷區(qū)的中心線有一夾角，這表明曲軸發(fā)生了旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂；從斷面可見扭曲和翹曲特征來看，斷裂過程中還受到一定的扭轉(zhuǎn)載荷作用[6,10]。

曲軸斷裂的多源及臺(tái)階面特征表明裂紋萌生應(yīng)力較大，應(yīng)由短時(shí)大應(yīng)力引起，可能與圓角滾壓不良有關(guān)。裂紋擴(kuò)展前期，放射棱線區(qū)由源區(qū)發(fā)展而來，斷面較平整，可見放射棱線；平行條紋區(qū)由放射棱線區(qū)發(fā)展而來，主要為平行分布的條紋狀形貌，且條紋狀特征在后期逐漸在中間部位呈隆起狀；弧線區(qū)由平行條紋區(qū)發(fā)展而來，呈由平行條紋區(qū)末端中間部位向外擴(kuò)展的半圓弧細(xì)密、宏觀可見的弧線特征。這表明曲軸斷裂初期經(jīng)歷了3 個(gè)階段。因此，曲軸的斷裂過程應(yīng)是：曲軸首先在短時(shí)大應(yīng)力作用下在非應(yīng)力集中最大的圓角底部邊緣區(qū)域萌生裂紋；之后，在工作過程的初期階段受到了異常應(yīng)力作用（應(yīng)與較大的扭轉(zhuǎn)載荷有關(guān)），裂紋繼續(xù)擴(kuò)展；之后，裂紋在相對(duì)穩(wěn)定的工作狀態(tài)作用下平穩(wěn)擴(kuò)展至最后斷裂。

表1 曲軸斷口附近圓角殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果Table 1 Results of residual stress measurement for the R angle near fracture MPa

表2 2 個(gè)未斷裂曲軸圓角殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果Table 2 Results of residual stress measurement for two unfractured R angles MPa

曲軸斷裂起源于連桿軸頸圓角遠(yuǎn)離扇板一側(cè)邊緣非應(yīng)力集中最大的圓角底部區(qū)域（由大應(yīng)力引起的曲軸裂紋，一般產(chǎn)生于連桿軸頸或主軸頸與曲臂之間的過渡圓角應(yīng)力集中最大的部位[13-15]），多源斷裂特征，源區(qū)可見臺(tái)階面。這表明曲軸源區(qū)可能存在制造缺陷，導(dǎo)致其在非應(yīng)力集中最大的圓角底部區(qū)域呈大應(yīng)力起始斷裂特征。

軸頸圓角表面Rz/Ra較大（利于裂紋產(chǎn)生）。斷口附近圓角及未斷裂的兩個(gè)連桿軸頸圓角中，除斷口瞬斷區(qū)完整圓角為拉應(yīng)力外，其余測(cè)試位置均為壓應(yīng)力，且應(yīng)力大小分布不均勻，曲軸斷口附近完整圓角的壓應(yīng)力普遍偏小。曲軸圓角截面金相可見周向擠壓變形及局部開裂特征。上述特征表明曲軸圓角存在滾壓不良、應(yīng)力大小分布不均勻且局部存在拉應(yīng)力，在曲軸圓角非應(yīng)力集中最大部位形成短時(shí)較大應(yīng)力而引起了裂紋。曲軸滾壓強(qiáng)化主要是預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化，曲軸疲勞強(qiáng)度隨滾壓殘余壓應(yīng)力的提升而提高，一旦滾壓不良就會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)化效果不佳，甚至出現(xiàn)失效，導(dǎo)致曲軸彎曲疲勞斷裂[9-12]；因此，曲軸疲勞裂紋的萌生應(yīng)由滾壓不良引起。

以上分析表明，曲軸疲勞斷裂由滾壓不良導(dǎo)致局部萌生微裂紋，工作過程中受到異常應(yīng)力（可能與較大的扭轉(zhuǎn)載荷有關(guān)）作用引起。

曲軸連桿R 比技術(shù)要求值略小，約小0.1 mm。曲軸連桿R 較小，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力集中程度較大，可能導(dǎo)致其早期疲勞斷裂，應(yīng)控制在技術(shù)要求范圍之內(nèi)；但從故障斷口的源區(qū)位于圓角遠(yuǎn)離扇板一側(cè)邊緣而非應(yīng)力集中最大的圓角底部區(qū)域來看，R 比技術(shù)要求值略小不是導(dǎo)致曲軸斷裂的主要原因，僅對(duì)其疲勞斷裂具有一定影響。

另外，表面粗糙度Ra為在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，沿測(cè)量方向的輪廓線上的點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)之間距離絕對(duì)值的算術(shù)平均值。表面粗糙度Rz為在取樣長(zhǎng)度內(nèi)5 個(gè)最大輪廓峰高的平均值和5 個(gè)最大輪廓谷深的平均值之和。軸頸圓角的表面粗糙度Ra可能滿足技術(shù)要求，從Ra的角度來看，曲軸應(yīng)不存在滾壓質(zhì)量問題；但軸頸圓角表面的Rz/Ra較大，且表面殘余應(yīng)力不均勻，表明曲軸滾壓不良。由此來看，單一的表面粗糙度Ra不能完好反映軸頸滾壓質(zhì)量，建議采用殘余應(yīng)力測(cè)試、表面粗糙度Ra和Rz相結(jié)合的方法評(píng)價(jià)軸頸滾壓質(zhì)量。

曲軸基體及圓角的組織為回火索氏體，淬火層組織為馬氏體，組織未見異常。曲軸基體的硬度偏技術(shù)要求的上限，圓角的硬度比基體技術(shù)要求的略高，淬火層的硬度符合技術(shù)要求。一般情況下，材料的硬度與強(qiáng)度呈正比，硬度高對(duì)應(yīng)的材料強(qiáng)度高，且曲軸拉伸性能滿足技術(shù)要求，這表明曲軸的硬度比技術(shù)要求的略高對(duì)其性能應(yīng)無不利影響；因此，曲軸斷裂與材質(zhì)無關(guān)。

3 結(jié)論

1）曲軸在軸頸圓角遠(yuǎn)離扇板一側(cè)邊緣發(fā)生旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂，斷裂過程中受到一定的扭轉(zhuǎn)載荷作用，源區(qū)位于非應(yīng)力集中最大的圓角底部邊緣。

2）曲軸疲勞斷裂主要由軸頸圓角滾壓不良導(dǎo)致局部萌生微裂紋，工作過程中受到異常應(yīng)力（應(yīng)與較大的扭轉(zhuǎn)載荷有關(guān)）作用引起。

3）曲軸軸頸圓角比技術(shù)要求值略小，對(duì)曲軸疲勞斷裂具有促進(jìn)作用，建議控制軸頸圓角大小在技術(shù)要求范圍內(nèi)。

4）單一的表面粗糙度Ra不能完好反映軸頸滾壓質(zhì)量，建議采用殘余應(yīng)力測(cè)試、表面粗糙度Ra和Rz相結(jié)合的方法評(píng)價(jià)軸頸滾壓質(zhì)量。