曲軸開裂原因

呂 淵

(上海材料研究所,上海 200437)

某曲軸在服役過程中發生開裂現象,筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、力學性能測試、微觀分析等方法對某開裂曲軸進行分析,以防止該類問題再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

曲軸宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知:其中一節軸表面存在裂紋。

圖1 曲軸宏觀形貌

截取的開裂處試樣宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知:曲軸表面存在明顯的環向磨損痕跡,部分區域發黑[見圖2a)],分析認為該區域是由摩擦高溫導致的;裂紋面整體較為潔凈,未見異物覆蓋,裂紋面上可見疲勞條帶,呈疲勞斷裂的宏觀形貌特征,疲勞條帶的收斂位置為裂紋源區,說明裂紋起源于曲軸表面。

圖2 截取的開裂處試樣宏觀形貌

1.2 化學成分分析

在曲軸基體處取樣,并對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。

表1 曲軸的化學成分分析結果 %

1.3 力學性能測試

在曲軸基體1/2半徑位置截取縱向拉伸試樣、沖擊試樣和硬度試樣,并對試樣進行測試,結果如表2所示。

表2 曲軸的力學性能測試結果

1.4 微觀分析

在斷口上截取試樣,將試樣清洗后,對試樣進行掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜分析,結果如圖3所示。由圖3可知:裂紋源區銅、錫、鉛等雜質元素含量較高;裂紋擴展區可見大致平行的二次裂紋,呈疲勞斷裂的微觀形貌特征。

圖3 斷口SEM 形貌及能譜分析結果

截取裂紋源區的剖面,制備金相試樣,將試樣鑲嵌、磨拋后,置于光學顯微鏡上觀察,結果如圖4所示。由圖4可知:裂紋源區覆蓋著一層其他物質;主裂紋附近表面可見較多與主裂紋平行的微裂紋,放大觀察可見裂紋內有銅黃色物質填充。

圖4 裂紋源區微觀形貌

對剖面金相試樣進行能譜分析,結果如圖5所示。由圖5可知:主裂紋面上的覆蓋物與微裂紋內的填充物成分均為較高含量的銅、錫、鉛元素中的一種或者幾種,分析認為這些物質來源于與曲軸開裂位置配合的銅合金軸瓦。

圖5 金相試樣拋光態SEM 形貌與能譜分析結果

將剖面金相試樣用化學試劑腐蝕,再將其置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖6所示。由圖6可知:試樣表面和心部顯微組織均為回火索氏體。

圖6 金相試樣顯微組織形貌

1.5 顯微硬度測試

采用2.942 N試驗力對試樣表面與心部進行維氏硬度測試,表面硬度分別為385,380,384 HV,相當于40.3,39.9,40.3 HRC;心部硬度分別為266,273,275 HV,相當于27.9,28.0,28.3 HRC。由硬度測試結果可知,心部硬度符合正常回火索氏體的硬度,表面的硬度偏高。

2 綜合分析

(1) 人工打開的裂紋面經清洗后整體較為潔凈,未見異物覆蓋,裂紋面可見疲勞條帶,呈疲勞斷裂的宏觀形貌特征,疲勞條帶的收斂位置為裂紋源區,說明裂紋起源于曲軸表面[1]。

(2) 裂紋源區的能譜分析結果表明:裂紋源區有較高含量的銅、錫、鉛等雜質元素;裂紋的擴展方式為疲勞擴展。

(3) 主裂紋的裂紋源區覆蓋有銅黃色物質層,附近表面可見較多與主裂紋平行的微裂紋,微裂紋附近存在疏松狀的孔洞,這些微裂紋與孔洞內均可見銅黃色物質,經能譜分析可知該物質中含有銅、錫、鉛中的一種或者幾種元素,并且含量較高;腐蝕后金相試樣表面與心部組織存在明顯區別,經顯微硬度測試可知表面硬度偏高。

(4) 綜合分析認為,曲軸在使用過程中發生潤滑不良,導致其與銅合金軸瓦之間發生摩擦現象,摩擦產生的高溫使曲軸表面發生相變,導致硬度升高。由于銅的熔點較低,銅板局部熔化,液相銅沿著奧氏體晶界向曲軸基體內滲透[2],在曲軸表面形成較多填充有銅合金組成物的微裂紋,隨后這些微裂紋在曲軸繼續運轉的工作應力作用下以疲勞方式擴展,導致曲軸開裂。

3 結論與建議

(1) 曲軸與銅合金軸瓦之間的摩擦高溫導致異種金屬滲入,在曲軸表面形成較多填充有銅合金組成物的微裂紋,隨后這些微裂紋在曲軸繼續運轉的工作應力作用下以疲勞方式擴展,導致曲軸開裂。

(2) 加強對曲軸潤滑情況的監測,以避免曲軸在潤滑不良的情況下繼續運作。