汽车发动机曲轴断裂分析
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汽车发动机曲轴断裂分析
郑真;张兵;赵剑
【摘 要】汽车行驶3万多km后发动机曲轴发生断裂.通过宏微观观察、金相检查、力学性能测试、R尺寸及表面粗糙度测量,对曲轴的断裂性质和原因进行分析.结果显示:曲轴断裂性质为疲劳断裂;曲轴基体组织为珠光体+连续网状铁素体,铁素体呈连续网状沿晶分布,导致材料塑性、冲击韧性和疲劳性能降低,是导致曲轴疲劳断裂的主要原因;此外,R角处表面粗糙度超出技术要求,促进了疲劳裂纹的萌生.
【期刊名称】《失效分析与预防》
【年(卷),期】2016(011)004
【总页数】4页(P261-264)
【关键词】发动机曲轴;49MnVS3非调质钢;疲劳断裂;网状铁素体
【作 者】郑真;张兵;赵剑
【作者单位】北京航空材料研究院中航工业失效分析中心,北京100095;航空材料检测与评价北京市重点实验室,北京100095;材料检测与评价航空科技重点实验室,北京100095;北京航空材料研究院中航工业失效分析中心,北京100095;航空材料检测与评价北京市重点实验室,北京100095;材料检测与评价航空科技重点实验室,北京100095;川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院,四川德阳618300
【正文语种】中 文
【中图分类】TG142.33;U464.13 曲轴是汽车发动机中最重要的部件之一。它将连杆传来的力转化为转矩并输出以驱动发动机上其他附件工作。旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲扭转载荷。此外，由于路况等原因，曲轴在车辆行驶过程中不可避免会受到冲击载荷的作用。因此曲轴材料必须具有足够高的强度、冲击韧性和疲劳强度，一般采用球墨铸铁或碳素结构钢制成[1]。
曲轴的断裂失效形式通常有如下几种情形[2-3]：1)校直引起原始裂纹；2)圆角淬火工艺不合理，在服役过程中会引起疲劳裂纹；3)锻造质量问题；4)铸造缺陷；5)加工不当引起应力集中；6)曲轴服役过程中的异常情况。一旦曲轴发生故障,车辆将由于失去动力源而无法继续进行,甚至引起安全事故。由于曲轴在汽车发动机中的重要性和关键性，有必要结合典型案例，对曲轴断裂的原因进行分析，以便提出相应的解决措施，防止该类故障的再次发生。
汽车行驶3万多km后发动机曲轴发生断裂。曲轴材质为49MnVS3非调质钢。硬度要求为HB 217～285，抗拉强度要求为700～950 MPa，断面收缩率≥20%。制造工艺为：锻造→控冷→抛丸→清洗→防锈处理。本研究通过宏微观观察、金相检查、力学性能测试、R角尺寸及表面粗糙度测试，确定曲轴的断裂性质，并对其断裂原因进行分析。根据分析结果，提出相应解决措施。
1.1 宏微观观察
采用目视进行宏观观察。曲轴主要由主轴颈、连杆颈和扇形板3部分组成，断裂位置处于曲轴连杆颈与扇形板的过渡处(图1)。裂纹从转角处起源，呈线源开裂特征，断面可见明显的疲劳弧线，裂纹扩展穿透曲轴壁厚，整个断面大部分都为疲劳区，瞬断区面积很小(图2)。
采用蔡司EVO18型扫描电镜进行微观观察，源区低倍形貌见图3a，断口呈线源开裂特征，源区可见扩展棱线。源区附近断面磨损严重(图3b)。源区附近侧表面可见一条磨损区域，未见粗大加工刀痕和冶金缺陷(图3c)。扩展区可见疲劳条带特征(图3d)。断口未见明显的硫化物聚集现象。
1.2 金相组织
从断口源区处截取垂直于断口的截面试样，磨抛腐蚀后采用奥林巴斯SZ 61型金相显微镜进行组织检查，腐蚀剂选用4%(质量分数)的硝酸酒精溶液。曲轴基体组织为珠光体+连续网状铁素体(图4)。按照GB/T 6394—2002，采用对比法对曲轴晶粒度进行评级，源区附近曲轴晶粒度约为3.5级，接近技术要求(3～7级)的下限。
1.3 力学性能
从扇形板取样(取样位置见图1)，按GB/T 231.1—2009进行布氏硬度测试。曲轴基体布氏硬度平均值约为HB 264，符合技术要求(HB 217～285)。
从扇形板切取圆棒拉伸试样(取样位置见图1)，按GB/T 228.1—2010进行室温拉伸试验，试验结果见表1。曲轴抗拉强度符合技术要求，4个试样中A、C试样的断面收缩率低于技术要求，延伸率虽然没有技术要求，但相对偏低[4]。对4个拉伸试样断口特征进行观察，除C断口主要呈韧窝特征外，其余断口均呈解理和韧窝混合特征， A、C和D试样断面可见较明显的硫化物，分布区域分别为2/3断面、整个断面和1/2断面，B试样断面上未发现硫化物，由此可见，硫化物在断面上存在的比例越高，试样的断面收缩率就越小。断面上典型硫化物特征见图5。
从扇形板切取U型冲击试样(取样位置见图1)，按GB/T 229—2007金属夏比缺口冲击试验方法进行室温冲击试验，结果见表2。可见，曲轴的冲击功平均值约为4.2 J，换算成冲击韧性值为24 J/cm2，曲轴的冲击韧性虽然没有技术要求，但对于作为承受交变动载荷的曲轴来说，该冲击韧性值相对较低[4-7]。对冲击试样断口进行微观观察，3个试样断口微观形貌相似：断口心部主要呈解理特征，断口边缘主要呈韧窝特征，其中B冲击试样断口边缘局部可见硫化物。
1.4 R角尺寸及表面粗糙度测量 对源区附近R角尺寸及表面粗糙度进行测量，R角半径平均值约为3.45 mm，符合技术要求(3.5±0.2)mm。R角表面粗糙度平均值为约0.34 μm，超出技术要求(0.2 μm)。
曲轴断口宏观形貌可见疲劳弧线，微观形貌可见疲劳条带，由此可判断曲轴断裂性质为疲劳断裂[8]。
金相检查显示，曲轴材料组织为珠光体+连续网状铁素体。冲击试验结果显示，曲轴基体材料冲击性能较差。铁素体沿晶界呈连续网状分布，会降低材料的塑性、冲击韧性和疲劳性能[9-12]。断口附近的R角表面粗糙度超出0.2 μm的技术要求，会加大R角处的应力集中，从而促进疲劳裂纹的萌生，曲轴呈线源开裂也说明断口起源处应力较大。汽车在行驶过程中因车况、路况等复杂因素，发动机曲轴不可避免会受到较大载荷的作用，在较大载荷作用下，曲轴在应力集中的R角处发生疲劳开裂。
曲轴断口上未见明显的硫化物聚集现象，说明硫化物并不是导致曲轴疲劳开裂的原因，但拉伸试样断口显示，断口硫化物聚集程度较严重的拉伸试样断面收缩率较低，断口硫化物聚集程度较轻的拉伸试样断面收缩率较高，说明硫化物聚集会影响材料的塑性。
非调质钢的强韧化机理和特点在于，通过合理的锻压热加工工艺，可使微合金结构钢中的沉淀相弥散析出并且得到较细的晶粒，从而达到提高强度又保持较高韧性的目的。要达到这一目的，需要选择合适的合金成分，并且其热加工参数及冷却条件需与成分相适应。曲轴晶粒度接近下限，并且铁素体沿晶界呈网状，使得材料塑性和冲击韧性偏低，可以通过调整热加工参数及冷却条件(始锻和终锻温度、冷却速度)来获得较好的综合性能，特别是提高材料塑性和冲击韧性[4,7]。
1)曲轴的断裂性质为疲劳断裂。
2)铁素体呈连续网状沿晶分布，导致材料冲击韧性和疲劳性能降低，是导致曲轴疲劳断裂的主要原因。
3)R角处表面粗糙度超出技术要求，导致应力集中系数增加，是引发曲轴断裂的次要原因。
【相关文献】
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