汽車發動機曲軸曲柄斷裂原因分析及改進

張立燁

東風悅達起亞汽車有限公司 江蘇 鹽城 224000

1 前言

某型汽車在發動機車間裝配現場試車階段時（0KM）出現了3起汽車發動機曲軸曲柄斷裂的事故。本文將通過對斷裂的發動機曲軸曲柄第8節發生斷裂（如圖1所示）進行失效分析，找到導致曲軸曲柄發生斷裂的原因。通過對物流現場的改進與控制，從而避免發動機曲軸曲柄斷裂的事故的再次發生。

該型發動機曲柄的技術條件：FCD70C球墨鑄鐵

圖1 曲軸斷裂圖

2 失效分析

2.1 宏觀分析

圖2 曲軸斷裂宏觀分析圖

圖3 體式顯微鏡X70

2.2 現場分析

如圖2、圖3所示通過宏觀觀察及體式顯微鏡觀察可知樣品表面出現清晰的是晶粒狀的，有許多強烈反光的小平面（稱為解理刻面），并且由左往右出現呈約135°斜線斷裂軌跡，并且由下往上發生斷裂，結合該曲軸僅處于測試階段，初步斷定該件為一次性斷裂。

2.3 微觀分析

（1）將斷口用超聲波清洗后，在電子掃描顯微鏡下觀察。斷口形貌如圖4，裂紋區呈現“河流花樣”符合典型解理特征。河流花樣中的每條支流都對應著一個不同高度的相互平行的解理面之間的臺階。解理裂紋擴展過程中，眾多的臺階相互匯合，便形成了河流花樣。在河流的“上游”，許多較小的臺階匯合成較大的臺階，到“下游”，較大的臺階又匯合成更大的臺階。河流的流向恰好與裂紋擴展方向一致。解理斷裂斷口的輪廓垂直于最大拉應力方向。

（2）通過掃描電鏡所配能譜儀進行元素分析，僅發現C，Fe等元素，無明顯其他元素。

圖4 電子掃描顯微鏡圖

2.4 金相及硬度分析

（1）球化率檢測：對該樣件背面進行拋光取樣，在GX51金相顯微鏡下觀察如圖5所示，樣品石墨球化率為85%(標準80%以上)，球磨大小最大34.88μm（標準60μm以下），符合標準要求。

（2）金相基體檢測：將樣品用4%硝酸酒精腐蝕，在GX51金相顯微鏡下觀察如圖6所示，樣品含有極少量鐵素體（白色部分），無珠光體及滲碳體，符合標準要求。

（3）硬度檢測：使用威爾遜BH3000型布氏硬度計對樣品進行布氏硬度測試測得值HB241、HB248、HB255（標準HB：229-285），符合要求。

圖5 未腐蝕100X

圖6 腐蝕后100X

3 結論

（1）該曲軸斷裂形式為解理斷裂，故為一次性斷裂。

（2）該樣品經過金相及硬度檢測符合圖紙要求，采用能譜儀進行元素初步分析無明顯其他元素，需進一步采用光譜化學法分析內部元素及含量。

4 推斷與建議

經以上分析判斷，該樣品應在發動機熱測試臺測試前受過外部接觸力導致其承載能力改變，無法正常承受熱測試時所需承載最大應力，故而導致其發生斷裂。建議排查該部品在生產、流通、加工過程所有可疑外部應力源。

5 現場排查

（1）對發動機車間裝配現場試車階段時（0KM）其余2起斷裂曲柄的事故通過宏觀觀察發現其他斷裂件的斷裂形式與分析的斷裂件失效形式基本一致。

（2）供應商對全部庫存及在產曲軸毛坯進行磁粉探傷、主機廠對隔離三個批次曲軸進行磁粉探傷，均無明顯異常。

（3）現場問題點發現：經過逐步排查，發現供應商提供產品納品箱內曲軸擺放混亂（產品相互疊加，產品間存在碰撞可能（100個/盒）。（如圖7）

圖7 曲軸擺放現場圖（改善前）

6 現場改進

發現問題點后，立刻對同批次產品進行了退換，供應商立即對每層產品之間增加隔板，互相隔離（100EA/BOX/4層）如圖8 。 更換后新批次加工產品均正常試車。

圖8 曲軸擺放現場圖（改善后）