大型柴油機曲軸斷裂失效研究

徐州工程兵學院，江蘇徐州，221009

摘 要：內燃機目前是機械裝備的主要動力來源，隨處可看見的汽車，在農田當中工作的農業機械，復雜的工程機械等等都需要內燃機作為其動力，隨著交通逐漸發達，人們的生活也越來越好，對很多機械設備及其內在的內燃機提出了越來越高的要求，而曲軸是大型柴油機中非常重要的零件，對其失效進行深刻的研究是非常有必要的。

關鍵詞：疲勞斷裂；大型柴油機；曲軸；失效研究

引言

在柴油機的內部結構當中，有很多重要的零部件，曲軸就是其中之一。實際上曲軸的工作環境是比較惡劣的，一些曲軸需要在高溫的環境之中長期工作，還有一些需要在有腐蝕性的環境下工作，而且曲軸本身受到不同方向的作用力，因此非常容易毫無預兆地發生斷裂，一旦這樣的情況發生，就會造成很大的經濟損失，為了有效避免這一情況，應當對大型柴油機曲軸斷裂失效的原因進行探究。

1疲勞斷裂概述

1.1疲勞斷裂概念

一般在工程構件工作的過程當中，都要承擔交變應力的作用方式，交變應力一般會在一段時間之內反復無規律的施加壓力，而工程構件本身的承受能力是有限的，長此以往，就非常容易發生斷裂的現象，這樣的斷裂一般人們認為是疲勞斷裂。根據目前對大型柴油機曲軸斷裂的整體情況進行分析會發現，曲軸失效的原因是非常多的，但是最為常見的就是沖擊疲勞失效，而且沖擊疲勞失效往往是瞬時的，由于這種斷裂方式在一瞬間發生，經常會導致工作過程突然停止，不僅可能會造成非常嚴重的資金上的損失，還可能會造成人員的傷亡，后果往往是非常嚴重的。

1.2特點

通過上述的介紹，實際上可以發現疲勞斷裂的一個非常顯著的特點，就是沒有預兆性，在很多的斷裂發生之前都會出現變形的現象，這也能夠提醒人們早做打算，但是疲勞斷裂并沒有變形的過程，是一種脆性斷裂，實際上曲軸一般是在長時間的工作狀態當中積累了非常多的損傷，但是一些經裂紋不是慢慢顯現出來的，而是達到了臨界狀態時，直接發生了斷裂。

疲勞斷裂實際上是有壽命的斷裂，曲軸在長時間的工作狀態中承受了很多的作用力，一般來說斷裂應力水平都沒有達到材料開始預想的強度，但是由于長時間的作業，最后可能是很小的力也會造成曲軸的斷裂失效。

因為疲勞斷裂往往是從一些很小的地方開始的，一些局部的部位更容易發生疲勞斷裂，尤其是一些有缺陷的地方，在一些部位能夠看見裂紋的，或者本身就有組織上的缺陷的，或是有缺口的，最容易發生疲勞斷裂，因此在一些缺陷的部位應當尤為注意。

疲勞斷裂是大型柴油機曲軸斷裂失效最為普遍的現象，因此對曲軸發生疲勞斷裂的原因進行探究，首先從原材料方面，然后從熱加工方面，最后從機械加工方面。

2原材料

對于零件來講，本身的材料成分和冶金質量在很大的程度上決定了材料的質量，是材料的內部結構，改變零件的內部結構，也就是對材料和制作的方式進行研究，能有效提高零件的性能，可以防止一些斷裂的發生。

在進行材料制造的過程當中，一般都會加入一些合金組元，這些化學組成對于零件來說是非常有利的，但是生產原材料的過程當中，不僅會有這些有利元素，也會有一些有害的組員，進入其中，在生產的過程當中，經常會因為各種原因進入一些其他，比如氫氣、氧氣和氮氣等等，這些都是材料生產當中的有害雜質，但是很難避免其進入，因為在生產的過程當中必然會和空氣接觸，很可能就會混進入很多氣體。還有一種可能性是在原材料加入的過程中，帶進去一些輔料，比如硫元素和磷元素，一般來說在元素周期表右側的一些非金屬元素，混雜在原材料制造中，都很可能會降低零件的整體質量。

對一些斷裂的曲軸進行化學成分的研究，可以發現一些規律，一些含有很多氫含量的曲軸往往更加容易發生斷裂，還有一些曲軸本身有低倍組織的缺陷，通過仔細的科學研究，發現上述的兩種情況往往會影響鋼的工藝性能，而鋼又是曲軸元件中非常重要的組成部分，可以說曲軸開裂的很大原因在于鋼的性能發生了改變。因此在原材料上，應當避免高的氫含量和低倍組織缺陷這兩種情況，盡量保證鋼的工藝性能。

3熱加工

在大型柴油機內部的曲軸，要求都是比較高的，在形狀上也是有很多的樣式，但是普遍都非常復雜，為了能夠適應柴油機高強度的工作，一些曲軸的長度非常長，還有一些曲軸結構復雜，因此對曲軸進行熱加工的過程當中，會出現很多困難的環節，在控制工序上有一些需要探討的部分。

對于曲軸這類的機械零件來說，鍛造是非常重要的一個步驟，經過鍛造的曲軸能夠形成一定的形狀，符合設計的標準，但是在看不見的部位也發生了很大的變化，比如在強度上，還有在韌性上，尤其是在鍛造比較大的曲軸時，這種影響就更加明顯了。在一些鍛造的過程中在工藝的方面出現問題，生產出來的曲軸往往非常容易出現缺陷，并在工作的過程當中容易發生斷裂。

熱加工手段實際上是為了讓曲軸能夠達成原本人們計劃的組織和性能而進行的步驟，但是在熱加工的過程當中，會出現不好的情況，一些熱加工的處理方式不夠正確，最終導致曲軸直接不能進行正常的工作，還有的曲軸經過熱加工之后，并沒有增強相應的性能，這也在一定程度上造成曲軸的斷裂。

對一些發生斷裂的曲軸進行研究發現，一些曲軸在熱處理的過程當中存在一些問題，在冷卻的環節，沒有嚴格按照規定進行，最終導致曲軸上出現鐵素體和貝氏體組織，貝氏體組織本身是能夠在一定程度上降低曲軸的疲勞強度，讓曲軸容易發生疲勞斷裂。原本曲軸的設計是有效的，但是由于不當的熱處理過程導致曲軸的性能不能達成原本的設計目標，在使用的過程當中又不能及時發現，最終導致在曲軸原本能夠承受的作用力范圍內就出現了斷裂的現象，給人們造成了損失。

因此在熱加工的環節當中應當按照熱加工的要求逐步進行，不得出現違規操作，以保證曲軸的質量。

4機械加工

在零件制造的過程當中，需要對零件的外形進行制作，比如去掉多余的部分，按照設計的形狀對零件進行加工，一般在進行機械加工之后的零件能夠在尺寸和形狀等方面都達成設計的要求。

在對曲軸進行機械加工的過程當中，可能會形成加工缺陷，比如在曲軸上面有刀的痕跡就是明顯的加工過程中產生的問題。在對曲軸進行磨削加工的時候，由于該過程會產生大量的熱能，零件的表面受熱，很可能會發生一些變化，比如表層組織有了變化，還有的一些曲軸出現了裂紋，這對于曲軸來講都可能會影響曲軸的質量。

磨削加工一般的都是在高溫的情況下進行加工，在加工部分完成之后，還需要對曲軸進行冷卻處理，但是曲軸本身是金屬物質，表面的金屬會因為這種急劇的冷卻降溫，產生一些殘余應力，最終會在曲軸進行工作的過程中與很多的作用力混合，會對曲軸造成不良的影響。

5結語

本文首先介紹了疲勞斷裂的概念和基本特點，因為在對大型柴油機曲軸斷裂失效研究的過程中發現，80%以上的斷裂都是因為疲勞斷裂，后續本文介紹的三種斷裂原因也都是因為疲勞斷裂。然后分別介紹了在原材料方面、熱加工方面和機械加工方面出現的一些問題，這些問題導致曲軸發生了變化，最終導致了斷裂失效，對于這三個方面應當進行相應的改進，能夠避免這種情況的再次發生。

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作者簡介：

楊世超/男/1993年生/遼寧彰武人/本科/研究方向為工程機械