5.0 L 柴油發(fā)動機(jī)曲軸斷裂失效分析與優(yōu)化

摘要：針對柴油發(fā)動機(jī)曲軸斷裂問題，采用電鏡觀察、金相檢驗(yàn)和力學(xué)性能檢驗(yàn)等方法，分析曲軸斷裂原因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)曲軸連桿頸表層存在缺陷。缺陷表面有明顯的脫碳現(xiàn)象，表明缺陷處曾在高溫下與空氣充分接觸，其原因是煉鋼澆鑄過程形成的水口結(jié)瘤脫落入鋼材中，導(dǎo)致原材料棒材狀態(tài)本身存在缺陷。為此，對浸入式水口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，將浸入式水口出口角度設(shè)計成35°，水口出口采用圓形設(shè)計，以增加澆筑面面積，并通過凹陷底部設(shè)計來減少因澆筑速度過大而產(chǎn)生的回流區(qū)比例。結(jié)果表明：增大出口角度以及凹陷底部和圓形水口出口的優(yōu)化設(shè)計，有助于控制水口結(jié)瘤，使結(jié)瘤率最終穩(wěn)定在1.2% 以內(nèi)，由此解決了曲軸棒材缺陷問題。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；曲軸斷裂；電鏡觀察；金相檢驗(yàn)；水口；結(jié)瘤

0 前言

斷裂一般起源于材料內(nèi)部缺陷，如氣孔、夾渣、錯位、疏松、裂紋等，斷裂方式有塑性斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂等。發(fā)動機(jī)曲軸在運(yùn)行過程中的主要失效形式為疲勞斷裂，曲軸斷裂會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的損壞并影響行車安全，甚至?xí)斐绍嚉送龅膰?yán)重后果。因此，需要對斷裂曲軸進(jìn)行失效分析，找到曲軸斷裂的根本原因，為曲軸性能的優(yōu)化改進(jìn)提供依據(jù)，防止同類斷裂現(xiàn)象的再次發(fā)生，從而解決曲軸的斷裂問題。

1 問題描述

某品牌5.0 L 柴油發(fā)動機(jī)（以下簡稱“柴油機(jī)”）車輛行駛里程為4 213 km，柴油機(jī)內(nèi)部有異響，無法行駛。經(jīng)服務(wù)站維修人員現(xiàn)場拆檢發(fā)現(xiàn)，曲軸第5 缸處有明顯裂紋，第5 缸連桿瓦燒瓦，連桿嚴(yán)重變形，活塞群部有輕微拉傷痕跡。服務(wù)站根據(jù)用戶要求更換整機(jī)處理，故障曲軸回場分析原因。

2 斷裂原因分析

2. 1 試驗(yàn)材料和方法

該柴油機(jī)曲軸的材料為42CrMo 鋼，毛坯鍛造成型，經(jīng)整體調(diào)質(zhì)后圓角淬火回火處理。用LeicaDMI3000M 型金相顯微鏡觀察材料的熱處理組織，金相試樣先經(jīng)過切割、打磨和拋光后用4% 的硝酸酒精侵蝕樣品表面。用SPETROLAB 型電感耦合等離子體（ICP）光譜儀和HORIBA EMIA-320V2型碳硫儀分析材質(zhì)化學(xué)成分。用Buehler 574T 型洛氏硬度計測試硬度。用PHILIP-XL30 型掃描電鏡觀察斷口形貌。用CMT4304 電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

2. 2 斷口宏觀形貌分析

故障曲軸的全貌如圖1 所示。由圖1 可見，曲軸在第5 連桿頸表面產(chǎn)生裂紋。第5 連桿頸表面裂紋在靠連桿頸的外側(cè)，裂紋不通過油孔，如圖2 所示。裂紋往下擴(kuò)展后的形貌如圖3 所示。

將開裂的連桿頸從圓角處線切割剖開，打開這些裂紋，裂紋打開后又重新拼合起來的形貌如圖4 所示。由圖4 可見大多數(shù)裂紋與軸向呈45°左右。

裂紋起源于連桿頸次表層的一個區(qū)域，如圖5紅色箭頭所圍成的區(qū)域；在裂紋擴(kuò)展區(qū)，有明顯的疲勞貝紋線，表明曲軸屬疲勞開裂［1］，圖5 中黑色箭頭所指為裂紋擴(kuò)展方向。由于裂紋較多，形成的斷口復(fù)雜，對形成主要斷口的裂紋標(biāo)記為裂紋1、裂紋2。

將圖5 中右側(cè)的裂塊拿開后，裂紋1 所在的斷面如圖6（a）所示，紅色箭頭所指為源區(qū)區(qū)域，黑色箭頭所指為裂紋擴(kuò)展方向。把從源區(qū)擴(kuò)展出來的裂紋稱為主裂紋，由圖6（a）可見，裂紋1 實(shí)際上與主裂紋大致在同一個斷面內(nèi)，即裂紋1 本身也是主裂紋的一部分。把圖5 中左側(cè)的裂塊拿開后，裂紋2 所在的斷面如圖6（b）所示，紅色箭頭所指為源區(qū)區(qū)域，主裂紋先沿著與軸向約呈45°的方向擴(kuò)展（見圖中右側(cè)的黑色箭頭），到了連桿頸中間后，又二次起源，沿著與軸向約呈-45°的方向擴(kuò)展（見圖中左側(cè)的黑色箭頭），也就形成了裂紋2 所在的斷面。

觀察所有斷面，往前追溯其最初的起源部位，發(fā)現(xiàn)均為連桿頸次表層的一個區(qū)域，如圖5、圖6 中紅色箭頭所指區(qū)域，因此重點(diǎn)對源區(qū)區(qū)域進(jìn)行觀察、分析及檢驗(yàn)。源區(qū)處的宏觀形貌如圖7 所示，紅色箭頭所圍區(qū)域?yàn)樵磪^(qū)，該區(qū)域在宏觀上有明顯的顆粒狀及凹凸不平的特征。

2. 3 掃描電鏡分析

源區(qū)的微觀形貌如圖8 所示。由圖8 可以看出：源區(qū)為細(xì)小的韌窩，有些區(qū)域還觀察到界面處分布有夾雜物。

2. 4 材質(zhì)分析

在故障連桿頸上取樣，其化學(xué)成分見表1。由表1 可知，曲軸的化學(xué)成分符合42CrMo 鋼的標(biāo)準(zhǔn)范圍。

從故障連桿頸旁的曲柄臂上取樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)及抗拉試驗(yàn)，結(jié)果見表2、表3。由表2、表3 可知，曲軸力學(xué)性能符合技術(shù)要求。

2. 5 硬度及顯微組織分析

源區(qū)處取連桿頸的縱剖面進(jìn)行檢驗(yàn)，其組織形貌如圖9 所示。由圖9 可見：源區(qū)處的組織有全脫碳現(xiàn)象，全脫碳層最深處約0.09 mm；全脫碳層中伴有夾雜物，有的區(qū)域脫碳層已焊合。源區(qū)及附近處的組織為回火索氏體2 級，維氏硬度為290 HV1。源區(qū)附近處連桿頸表面的淬層深3.8 mm，組織為正常的回火馬氏體，洛氏硬度為56 HRC。

2. 6 討論與分析

故障曲軸在車輛行駛4 213 km 時發(fā)生開裂，屬早期開裂。曲軸從第5 連桿頸開裂，連桿頸表面有較多裂紋，但裂紋并不通過連桿頸上的油孔，主要裂紋與軸向約呈45°。打開這些裂紋，斷面上均有明顯的疲勞貝紋線，因此故障曲軸屬扭轉(zhuǎn)載荷作用下引起的疲勞開裂。

故障曲軸的這些裂紋均不通過油孔，而是從第5 連桿頸次表層起源，裂紋起源部位比較異常。因?yàn)樵谕ǔＧ闆r下，當(dāng)連桿頸受扭轉(zhuǎn)載荷作用時，連桿頸油孔處由于截面減少存在應(yīng)力集中情況，即油孔是結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)，裂紋往往從油孔部位起源導(dǎo)致曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂（或開裂）。本次故障曲軸的失效模式雖然也是連桿頸發(fā)生扭轉(zhuǎn)疲勞開裂，但是裂紋卻不通過油孔，而是從第5 連桿頸次表層起源。經(jīng)檢測分析，發(fā)現(xiàn)源區(qū)處存在一個缺陷區(qū)域。相比之下，缺陷區(qū)域比油孔部位更薄弱，正因?yàn)槿绱?，裂紋選擇從相對更薄弱的缺陷區(qū)域優(yōu)先起源，而不是從油孔部位起源。

斷口分析表明，位于第5 連桿頸次表層的源區(qū)區(qū)域在宏觀上呈明顯的顆粒狀、凹凸不平的特征。電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，源區(qū)存在細(xì)小的淺韌窩，有些界面處還分布有夾雜物，判斷這些界面處的結(jié)合力已明顯弱化，成為斷裂擴(kuò)展的優(yōu)先通道。金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，源區(qū)處的組織有全脫碳現(xiàn)象，全脫碳層最深處約0.09 mm，表明曲軸連桿頸次表層在使用前就已經(jīng)存在缺陷。有的區(qū)域觀察到脫碳層已經(jīng)被焊合，結(jié)合曲軸的工藝流程分析，這種焊合現(xiàn)象發(fā)生在高溫鍛壓過程中，雖然缺陷表面的脫碳層發(fā)生了焊合，但是焊合后的界面處畢竟還是薄弱環(huán)節(jié)，因此，這些界面處仍然是裂紋優(yōu)先起源的部位。

觀察了源區(qū)缺陷與金屬纖維流線之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)各個視場下缺陷的分布方位與流線之間分別呈不同角度，但未觀察到缺陷周圍的流線順著缺陷分布的情況，因此可排除缺陷屬折疊的可能。根據(jù)缺陷表面存在明顯的脫碳現(xiàn)象判斷，缺陷表面曾在高溫下與空氣充分接觸，形成嚴(yán)重的脫碳層。

綜上所述，缺陷表面存在明顯的脫碳現(xiàn)象，表明缺陷處曾在高溫下與空氣充分接觸，其原因應(yīng)為原材料棒材狀態(tài)本身存在缺陷（主要是由煉鋼澆鑄過程形成的水口結(jié)瘤脫落入鋼材中導(dǎo)致的缺陷）。

3 優(yōu)化方案

通過對浸入式水口結(jié)瘤的研究［2］，發(fā)現(xiàn)浸入式水口的安裝工藝、材料、烘烤溫度等都對水口結(jié)瘤起到了至關(guān)重要的影響。當(dāng)用1 380 ℃烘烤時，水口結(jié)瘤率相比1 200 ℃時出現(xiàn)明顯下降，對比效果如圖10 所示。

根據(jù)水口結(jié)瘤形成的特點(diǎn)，通過浸入式水口結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計，達(dá)到減少或消除結(jié)瘤的目的。具體浸入式水口結(jié)構(gòu)的優(yōu)化為：浸入式水口出口角度設(shè)計成35°，水口出口采用圓形設(shè)計來增加澆筑面的面積，并通過凹陷底部設(shè)計來減少因澆筑速度過大而產(chǎn)生的回流區(qū)比例，同時圓形水口出口有助于結(jié)晶器液位波動的控制，降低氧化鋁堵塞水口的風(fēng)險［3］。

4 效果驗(yàn)證

通過浸入式水口的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得結(jié)瘤率最終穩(wěn)定在1.2% 以內(nèi)（如圖11 所示），解決了曲軸棒材缺陷問題。改進(jìn)的曲軸在某型號的柴油機(jī)上進(jìn)行了全速全負(fù)荷的800 h 可靠性驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)束后拆解柴油機(jī)檢查，曲軸一切正常。20 多萬臺優(yōu)化后的柴油機(jī)使用驗(yàn)證，沒有因結(jié)瘤而導(dǎo)致的曲軸斷裂故障外反饋，證明該優(yōu)化方案有效可行，解決了曲軸因結(jié)瘤斷裂的問題。

5 結(jié)語

本文針對5.0 L 柴油機(jī)曲軸斷裂問題，利用宏觀形貌、顯微組織、硬度測試等對曲軸斷裂進(jìn)行了分析，判斷曲軸斷裂是由煉鋼澆鑄過程形成的水口結(jié)瘤脫落入鋼材中導(dǎo)致的缺陷引起的。優(yōu)化浸入式水口出口角度，將其設(shè)計成35°，水口出口采用圓形設(shè)計來增加澆筑面的面積，并通過凹陷底部設(shè)計來減少因澆筑速度過大而產(chǎn)生的回流區(qū)比例。結(jié)果表明：通過增大出口角度、設(shè)計凹陷底部和圓形水口出口，實(shí)現(xiàn)了水口結(jié)瘤率的控制；通過浸入式水口結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，結(jié)瘤率最終穩(wěn)定在1.2% 以內(nèi)，有效解決了曲軸因結(jié)瘤而導(dǎo)致的斷裂問題。

參考文獻(xiàn)

［ 1 ］ 陳南平， 顧守仁， 沈萬慈. 機(jī)械零件失效分析[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1988.

［ 2 ］ 季晨曦，鄧小旋，羅衍昭，等. 板坯連鑄橢圓形出口浸入式水口開發(fā)與應(yīng)用[C]//第四屆全國連鑄工藝技術(shù)學(xué)術(shù)年會. 太原：中國金屬學(xué)會，2017.

［ 3 ］ 閆文濤，李勤. 山西冶金[M]. 山西：山西冶金出版社，2020.