柴油機曲軸斷裂分析

楊涵

摘 要：某型號柴油發動機曲軸在臺架實驗運行約840小時后發生斷裂，采用宏觀檢查、微觀檢查、金相組織檢查、材料化學分析、材料力學性能檢驗等方法進行了失效分析，分析結果表明：曲軸在復雜工況下產生了疲勞斷裂，疲勞裂紋起始于R角凸肩邊緣1.5mm處，該位置存在粗大的魏氏組織降低了曲軸的抗疲勞強度。

關鍵詞：曲軸;發動機;斷裂

中圖分類號：U467 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）14-98-03

Abstract： The crankshaft of a certain type of diesel engine fractured after about 840 hours of bench test operation. Failure analysis was performed using methods such as macro inspection， micro inspection， metallographic inspection， material chemical analysis， and material mechanical performance inspection. Fatigue fracture occurred under the working condi -tions， and the fatigue crack started at 1.5mm of the R-angle shoulder edge， where the presence of coarse Weiss structure reduced the fatigue strength of the crankshaft.

Keywords： Crankshaft; Engine; Fracture

CLC NO.： U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）14-98-03

前言

某型號發動機曲軸在臺架實驗運行約840小時后發生斷裂。曲軸材質為42CrMoA鋼，該曲軸的加工工藝為：鍛造-正火-淬火-回火-熱校直-去應力回火-機加工-時效處理-淬火-回火-機加工。

1 宏觀檢查

從圖中可看曲軸斷裂的位置處于第六缸連桿軸徑與主軸頸結合處，裂紋穿過整個曲柄臂最終導致曲軸發生斷裂，如圖1所示。圖2是端口的形貌，仔細分別可隱約看到裂紋擴展的貝殼狀弧線，這種貝殼狀弧線是疲勞斷裂特有的形貌。圖中黃色箭頭指示多組疲勞弧線，沿著箭頭反方向查找，可推斷出疲勞源區對應于R角凸肩表面的位置，距離R角凸肩邊緣1.5mm左右。

2 微觀檢查

從宏觀上看，斷口疲勞源區還保留著斷裂特征，但從掃描電鏡下觀察到的形貌顯示疲勞源區已被磨損地十分嚴重。據介紹在臺架實驗過程中，發生曲軸抱死又再次啟動的情況，這很可能導致整個斷口發生了嚴重磨損，圖5是疲勞源區的放大形貌，未觀察到可能導致裂紋萌生的缺陷，缺陷也有可能已被擠壓研磨掉。

3 金相組織檢查

3.1 低倍組織檢查

將樣品酸洗和電解腐蝕，最終得到如圖6所示的組織形貌，從圖中可以看出斷裂處組織的宏觀缺陷并不明顯，評定為1級中心疏松，無其他缺陷，缺陷情況不嚴重。

3.2 材料的夾雜物檢查

將樣品進行拋光并在100倍光學顯微鏡下檢查。從圖7可見，材料內只有很少的夾雜物。

3.3 金相組織檢查

將曲軸疲勞源區的樣品進行拋光和溶液侵蝕，獲得材料500倍下的金相組織。從圖中觀察到有粗大的魏氏組織，不滿足 “不允許有魏氏組織”的技術要求，進一步取非疲勞源區的樣品在500倍下觀察到的金相組織相對細小，基本上都是索氏體和少量鐵素體，金相組織正常。

通過上述分析，材料疲勞源區的金相組織不合格。

4 材料化學分析

在曲柄臂內部取樣，利用直讀光譜的方法對曲軸的化學成分進行了分析，表中顯示的結果表明曲軸的化學成分符合國標對42CrMoA鋼的要求。

5 材料力學性能檢驗

在連桿軸頸半徑的1/2處取φ6和U型缺口試樣，分別做拉伸和沖擊試驗，從表中可以看出曲軸材料的各項拉伸力學性能都滿足產品標準的規定值。

6 硬度檢驗

對曲軸斷口疲勞區組織的表層區域做硬度測試，測試具體位置分布見圖10，表3是測試后的維氏硬度結果，箭頭指示疲勞源區，未淬火區域的硬度通常只在HV1280到290之間，然后硬度逐級增加，到表面淬火區域的硬度在HV1520左右，可見硬度存在顯著差異。而存在魏氏組織區域的硬度在HV1255左右，硬度明顯低于周圍基體區域。

7 結論與建議

曲軸在復雜工況下產生了疲勞斷裂，疲勞裂紋起始于主軸頸距離R角凸肩邊緣1.5mm處，該位置存在粗大的魏氏組織，該組織的存在降低了曲軸的抗疲勞強度，最終導致曲軸在復雜工況下斷裂。建議：（1）控制熱處理溫度，避免過高溫度;（2）注重實際生產過程的控制，避開形成魏氏體的冷卻情況;（3）通過采用合適的工藝如正火、退火等來消除粗大晶粒。

參考文獻

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