QJ150FMH摩托車曲軸失效斷裂分析及措施*

成 暢，顧 婷，陳文靜

(金肯職業技術學院，江蘇 南京 211156)

0 引 言

機械零部件產品的失效分析屬于機械產品質量的綜合性技術研究，其主要是探索產品失效的規律和相應的機動原理[1]。大多數產品早期斷裂失效往往是因為產品質量本身低劣或相關質量管理不夠完善所導致。斷裂失效的正確的鑒定及失效原因的迅速判斷是安全生產的關鍵。曲軸失效斷裂是由各種各樣的原因所導致的，其中，沖擊疲勞失效大概率是曲軸斷裂失效中最常見的根源。疲勞斷裂最終斷裂的方式是一瞬間發生的，如果現場無法及時反應應對，會致使其安全危險性加大，嚴重時可能發生摩托車損壞及駕駛員受傷甚至死亡的安全事故。QJ150FMH摩托車曲軸在市場上發生多例斷裂事故[2]，存在重大的產品質量問題，造成嚴重的經濟損失。

針對以上的問題，筆者對QJ150FMH摩托車左右軸型號的兩種斷裂曲軸進行分析，找到曲軸斷裂失效的原因并提出相關有效的改進措施，及時有效地預防曲軸發生早期斷裂失效，為企業的安全生產和售后維修提供參考方向。

1 曲軸失效事故及宏觀檢查

通過宏觀檢查發現，曲軸斷裂的位置在右軸φ20桿身底部，如圖1所示。

圖1 斷裂曲軸全貌 圖2 斷口全貌

對其斷口進行檢查發現，斷口基本上與軸的軸線垂直，斷口上無明顯的可見宏觀缺陷以及明顯的塑性變形[3]，晶粒細小，在斷口的局部區域存在銹斑。貝紋線在斷口上顯而易見，這表示曲軸的斷裂性質是疲勞斷裂。疲勞源在桿身的R處產生，在疲勞源處存在多條細小臺階。疲勞裂紋擴展區有著明顯的貝紋線[4]，貝紋線由凸形向扁平狀發展到貝紋線直至模糊，縱觀全部斷口發現，疲勞裂紋擴展區所占的比例最大。瞬時斷裂區在疲勞源區的對面偏轉一定的角度且偏轉的角度較大。瞬時斷裂區的表面較粗糙，表面上面有撕裂形成的臺階，所占的面積較小，如圖2所示。

2 右曲軸理化分析及斷裂分析

2.1 右曲軸理化分析

(1) 化學成分分析

首先我們在斷裂曲軸上，用切割機切下一小塊，通過砂輪將切割表面磨平直至光亮，并將所磨的一面通過光譜儀進行材料分析[5]。

分析發現斷裂曲軸的化學成分符合40Cr鋼的要求，結果(質量分析)見表1。

表1 40Cr的化學成分和斷裂件的化學成分 /%

(2) 硬度試驗

將所切割磨平的試樣進行洛氏硬度試驗，遵循打3個點記2個的準則，通過洛氏硬度計測試，得到硬度為HRC23/23，符合HRC21-29的要求。

(3) 金相組織分析

在斷裂曲軸上截取試樣通過金相鑲嵌機進行鑲嵌，然后以砂紙、白布、紅布的順序拋光，隨后腐蝕，并通過金相顯微鏡進行分析，如圖3、4所示，斷口附近組織和組織為回火索氏體+少量的鐵素體+上貝氏體，按GB/T13320-2007評為5級。

圖3 400倍 圖4 400倍

(4) 非金屬夾雜物檢查

對斷口附近的非金屬夾雜物進行檢查，按GB/T10561-2005標準A0.5，B0，C0，D1，符合技術要求，如圖5、6所示。

圖5 100倍 圖6 100倍

(5)R角檢查

由于曲軸斷口的位置在R處，此處的R值已無法檢測。對庫存品檢查，R值在0.75左右 ，如圖7，略低于圖紙規定R1的要求。

圖7 萬能工具顯微鏡下的R角

2.2 曲軸斷裂分析

(1) 經上述分析可知，曲軸的材質、硬度、金相組織、非金屬夾雜物都符合技術要求。

(2) 斷口與軸的軸線垂直，同時瞬時斷裂區在斷口的中間區域，從而判定曲軸是在旋轉彎曲應力作用下引起的斷裂[6]。疲勞源在桿身的圓周上產生且存在多源，不同的疲勞源在不同圓周平面的不同部位萌生，在開始階段，不同疲勞裂紋相交處產生棘輪形狀，由于桿身直徑較小，在旋轉彎曲應力的作用下，裂紋在不同平面擴展，沒有相交，就產生了斷裂，因而斷口上沒有明顯的疲勞弧線，從而形成此斷口。

(3) 疲勞源在曲軸桿身R處出現多條細小臺階，這是由于不同的疲勞源擴展相遇后產生的，出現多條細小臺階說明此處存在應力集中現象，裂紋尖端前沿應力場較大。R相當于缺口，當此處受到應力時，缺口處并不受力，受力的是缺口根部，從而使局部應力增大產生應力集中。如圖8所示為受彎曲的階梯軸應力集中情況，斷裂曲軸D=φ19，d=φ14,r=1,D/d=1.357,r/d=0.071,其R角處的應力集中系數στ約等于1.75，即R角處的最大應力是該處截面上的平均應力的1.75倍。當R角處r=0.75時，r/d=

圖8 受彎曲的階梯軸

0.053，從圖8可看出，其R角處應力圖集中系數στ約1.9。在正常受力情況下，R角很容易受局部應力作用而超過材料的斷裂強度。當應力超過此處的斷裂強度時將會產生裂紋，隨著曲軸的不斷運轉，在交變應力的作用下裂紋不斷擴展，當承載面不足以承受此時的應力時裂紋將會失穩并快速擴展產生撕裂，使曲軸產生早期疲勞斷裂。

(4) 瞬時斷裂區所占面積較小，說明曲軸在運行過程中受到的應力不大，曲軸斷裂為低名義應力集中引起的早期疲勞斷裂。

2.3 右曲軸改進措施

(1) 為確保曲軸的安全性，建議在設計允許的情況下，盡量增大R角[7]。斷裂曲軸的R角值低于規定要求車間生產時首件必須對此處R角進行檢測，同時將R角值控制在中上差。

(2) 建議增大曲軸斷裂部位的直徑，將桿身尺寸φ14更改為φ15，增加此處的強度。參考同類產品此處的直徑都為φ15，從未發生過斷裂事故，如圖9。

圖9 φ14桿身位置

3 左曲軸宏觀檢查及分析

3.1 失效檢查

左軸曲軸斷裂的位置在左軸φ20桿身底部，如圖10。對其斷口進行檢查發現，斷口齊平且與軸的軸線垂直，斷口上無明顯的可見宏觀缺陷以及塑性變形。兩個相匹配的斷口由于曲軸斷裂后產生機械損傷，但斷口上的一些細節還可辨別。斷口上有明顯的疲勞弧線，具有疲勞斷裂特征，因而曲軸斷裂為疲勞斷裂。疲勞源在桿身的R處產生，疲勞源處存在多條細小臺階，為多源疲勞斷裂[8]。疲勞源的對面一側較粗糙的區域為瞬時斷裂區，所占面積較大，約占整個斷口的1/2。兩者的中間區域為疲勞裂紋擴展區，此外疲勞弧線呈凹形擴展且弧線間的間距較大，如圖11、12。斷裂曲軸桿身錐度處已產生磨損并與φ19桿形成臺階，如圖13。對右曲柄檢查發現，φ12桿身和花鍵附近φ19桿身一側存在明顯的摩擦痕跡，而另一側桿身與其上面的部件無明顯的接觸痕跡，如圖14、15。在φ20桿身附近的φ19桿身處也有明顯的摩擦痕跡并形成臺階，如圖16。

圖10 曲軸斷裂全貌 圖11 疲勞區一

圖12 疲勞區二 圖13 曲軸臺階

圖14 摩擦痕跡 圖15 輕微的接觸痕跡 圖16 摩擦產生臺階

3.2 左曲軸斷裂分析

左曲軸理化分析與右曲軸相同，亦采用相同的化學成分、硬度實驗、金相組織、非金屬夾雜物以及R角檢查等分析方法，使用專業設備儀器對斷裂處進行實驗查看，得出與右曲軸相同結論。并對左曲軸的斷裂進行分析。

(1) 經分析得出，曲軸的材質、硬度、金相組織、非金屬夾雜物以及R角都符合技術要求。

(2) 斷口與軸的軸線垂直，瞬時斷裂區在疲勞源的對面一側，從而判定曲軸是在單向彎曲應力作用下引起的斷裂。疲勞源在曲軸桿身R處，出現多條細小臺階，是由于不同的疲勞源擴展相遇后產生的，疲勞源處出現多條細小臺階說明此處存在應力集中現象，裂紋尖端前沿應力場較大。R相當于缺口，當此處受到應力時，缺口處并不受力，受力的是缺口根部，從而使局部應力增大產生應力集中。根據應力集中手冊，參照圖8,受彎曲的階梯軸應力集中情況，斷裂曲軸D=φ29，d=φ20,r=0.99,D/d=1.45,r/d=0.049 5,其R角處的應力集中系數στ約等于2.1左右，即R角處的最大應力是該處截面上平均應力的2.1倍。在正常受力情況下，R角處受局部應力作用而超過材料的斷裂強度，當應力超過此處的斷裂強度時將會產生裂紋，隨著曲軸的不斷運轉，在交變應力的作用下裂紋不斷擴展，當承載面不足以承受此時的應力時裂紋將會失穩并快速擴展產生撕裂，使曲軸產生早期疲勞斷裂。

(3) 瞬時斷裂區所占面積較大，約占整個斷口的1/2且疲勞弧線呈凹形擴展，弧線間的間距較大，說明曲軸運行時受到的應力較大，裂紋擴展迅速。斷裂曲軸桿身錐度處已產生磨損并與φ19桿形成臺階，φ12桿身和花鍵附近φ19桿身一側存在明顯的摩擦痕跡，而另一側桿身與其上面的部件無明顯的接觸痕跡，φ20桿身附近的φ19桿身處也有明顯的摩擦痕跡并形成臺階，說明曲軸桿身與其上面的部件存在接觸不良的現象，使曲軸產生了附加應力。φ12桿身和花鍵附近φ19桿身一側存在明顯的摩擦痕跡，而另一側桿身與其上面的部件無明顯的接觸痕跡，將會使曲軸整體受到附加彎曲應力作用，此彎曲應力正好與斷裂曲軸受到的應力方向一致。發動機以曲軸轉速8 500 rpm，油門全開運行46 h，曲軸無問題，當空載高速10 000 rpm運行7 min時發動機異常曲軸斷裂，說明此時曲軸運行載荷過高，受到的應力已超過曲軸的斷裂強度，形成過載，同時在附加應力的作用下以及R處產生應力集中最終曲軸產生高應力低周期疲勞斷裂。因此左曲軸斷裂為高應力低周疲勞斷裂，試驗時應力過高產生過載以及φ20桿身底部R處產生應力集中是引起曲軸斷裂的主要原因。

3.3 左曲軸改進措施

(1) 為確保曲軸的安全性，建議在設計允許的情況下，盡量增大R角。斷裂曲軸的R角值低于規定要求，車間生產時首件必須對此處R角進行檢測，同時將R角值控制在中上差。

(2) 建議增大曲軸斷裂部位的直徑，將桿身尺寸φ20更改為φ25，從而增加此處的強度。參考同類產品此處的直徑都為φ25，從未發生過斷裂事故。

4 結 語

重點對QJ150FMH摩托車曲軸的早期斷裂失效進行分析和研究，開展了相應的斷裂處實驗檢查，利用金屬件失效分析的常用檢測技術，結合實驗設備進行分析。全面介紹了QJ150FM摩托車曲軸失效情況，并通過分析發現承載面不足、使用方法不當、受力面過小等問題導致產生了應力集中從而使曲軸發生斷裂。在后續的生產過程中需要改進以上問題，以達到安全生產和使用的要求。