柴油机曲轴断裂失效的3种常见原因
2016-12-15 来源：武汉大学动力与机械学院 作者：陈勇 贺小明
摘要：曲轴断裂危害极大，所以寻找曲轴断裂失效的一般性原因非常有意义。通过对4起失效曲轴的外形、断口、机械性能、硬度梯度、化学成分和金相组织等进行分析。分别介绍热处理、原材料、机加工等原因对曲轴各项性能的影响。方便各厂家改进曲轴的生产与修理。
关键词：曲轴；断裂失效；热处理
1.曲轴断裂失效的共性特点
80％的曲轴失效是疲劳断裂．其起因是初始疲劳裂纹。若应力集中的位置同时存在表面不连续。就易诱发初始疲劳裂纹的产生。本文研究的4起曲轴断裂事故都是疲劳断裂。研究疲劳断裂的原因和过程时。通常先分析疲劳断口．一般可清晰地分辨出3个区：疲劳源、疲劳扩展区和瞬断区。
2.曲轴断裂的3种常见原因
2．1 热处理不当导致的曲轴失效
曲轴在热处理时，先后有纤维锻造、正火、调质和氮化处理等工序．能很好地改善曲轴材料的金相组织和各项性能。若不当，则可能引发曲轴早期失效。某柴油机工作698h后。输出端飞轮强烈摆动。紧急停车拆检．发现曲轴第1个主轴颈出现了明显裂纹。
(1)外形分析将曲轴沿主轴颈与曲柄方向割开。发现其裂纹源在其主轴颈的表面，如图l所示，在A位置有1个深褐色小断面．应是锻造时遗留的折叠层，为最早开裂的断面，位于曲柄工艺孔下面的轴颈圆角根部。分析形成原因：①曲轴在组装并工作一定时间后，该位置产生了小裂纹。机油渗入，由于高温产生了焦油痕迹：②曲轴在淬火前就存在该小裂纹，淬火时水玻璃溶液渗入。形成了该区域。
(2)微观分析使用电子探针来检测断VI，发现裂纹最初位置在曲轴表面的氮化层。在该位置也没有发现明显的夹杂物或其他缺陷。断口的晶粒有大有小．混晶现象十分明显。而产生混晶的原因主要就是热处理不当。用电子探针检测裂纹源的深褐色区域．发现上面有很多孔洞，放大观察，无撕裂棱等韧性断裂的特征。观察晶粒走向．为沿晶断裂，曲轴材料有过热的脆性倾向。
观察裂纹扩展区，如图2、图3所示，为典型的解理断裂特征．裂纹呈放射状。清楚分辨出河流状的花样。如图2所示，断口上发现有“人字形”花纹，图中有2个箭头：解理台阶和裂纹源的方向。分析断口特征，裂纹源产生后，发展迅速，且无大的塑性变形．脆性断裂特征清晰。如图2所示，可清晰看到二次裂纹．这是由于裂纹扩展速度大，在顶部产生了塑性区．导致二次裂纹的产生。二次裂纹不断扩大。部分裂纹扩大方向与裂纹源整体方向完全不一致．导致解理台阶的产生。总结分析结果。该曲轴为典型的脆性断裂。
(3)硬度梯度检测从裂纹源处取样，测量轴颈表面和主轴颈圆角表面的硬度梯度。测得曲轴基体组织的硬度为HRC25(约HV270)。一般认为：与之相比．大于HV50的位置即为氮化层；达到HV550的位置。为有效硬化层。测得主轴颈圆角表面的氮化层约0．4 mm，有效硬化层的厚度约O．15 mm：主轴颈表面的氮化层的厚度约0．55 nlln．有效硬化层的厚度约0．2 mm。可见主轴颈圆角位置的氮化情况要坏于主轴颈表面的氮化情况．但总体情况尚可。
(4)曲轴的金相组织从主轴颈的基体组织中取样分析，为大量的铁素体、贝氏体和较少的回火索氏体所组成．且组织粗大。金相组织里的奥氏体的晶界清晰并呈平直状．这和失效断口的微观分析的结果相同，贝氏体也清晰并粗大，为羽毛形状，为典型的上贝氏体组织。但根据曲轴机械性能的要求．经过热处理后．需要的基体组织应是回火索氏体及较少的贝氏体。
(5)分析讨论曲轴基体组织中存在大量的铁素体和上贝氏体．且二次裂纹与混晶组织明显．为不合格的金相组织。产生原因主要是：热处理时正火不充分，保留了部分锻造组织。淬火不当导致了不良组织形态。导致曲轴的各项力学性能较差，屈服强度、基体硬度以及冲击韧性都达不到设计标准。曲轴中奥氏体的晶界平直．且有二次裂纹的产生．所以该失效曲轴有相对过热的可能。过热会导致缓冷生成的组织粗大，使得冲击韧性或硬度等静态指标降低。更致命的是会大大降低疲劳强度等动态性能指标。由于曲轴在锻造后的正火不够充分．加上淬火时奥氏体的温度太高．使得部分第二相粒子融人奥氏体中。第二相粒子分布较少的区域，晶粒较粗大；分布较多的区域．晶粒比较细小。奥氏体组织的晶粒大小不匀，导致混晶现象，使得曲轴材料的性能不均匀。曲轴材料为35CrMoA钢．正火后其组织应该由珠光体及铁素体。淬火后．期望其组织为马氏体及少量贝氏体所组成。但从该曲轴断裂位置的金相分析结果显示．其基体组织为回火索氏体和大量的铁素体及上贝氏体。大量的铁素体和上贝氏体的存在。是因为曲轴在淬火冷却时不足所致。正是由于这些不良组织，使得曲轴的强度和硬度大大降低。韧性减小，各项力学性能指标下降．特别是具有方向性的贝氏体铁素体群的析出。大大降低了冲击韧性。铁素体和贝氏体的晶粒越大，位错越小，钉扎现象越差，利于裂纹扩展．使得各项性能显著降低。金相构成影响曲轴的塑性和韧性等性能．若上贝氏体比例过高。会大大降低冲击韧性。贝氏体中的铁素体大小和碳化物的形态及分布决定了贝氏体的韧性。下贝氏体中．碳化物分布于贝氏体铁素体片内．且非常微小．在两者交界位置不易形成裂纹。假若出现解理裂纹．扩展时会被两者的高密度错位所阻碍．所以下贝氏体的冲击韧性较大．且由韧转脆的温度也较低。而在上贝氏体里，铁素体是平行分布的。呈束状，每个束可以理解为一个有效晶粒。且在上贝氏体中．碳化物是在贝氏体铁素体间连续分布，尺寸也较大。所以碳化物与贝氏体铁素体交界位置容易产生微裂纹．其一旦出现。就能引发解理裂纹。使裂纹快速扩大。
由此可推断。该柴油机曲轴失效的原因主要是：曲轴原材料在锻造时．在第一主轴颈与曲柄相接的圆角位置遗留了折叠层，为最初的裂纹源。同时由于淬火时的不当．使得曲轴的硬度、强度和冲击韧性等性能都有较大下降。当柴油机工作时．交变应力使得裂纹源失稳．加上热处理得到的组织不合格．使得裂纹扩展迅速，达到一定大小后，释放出部分应力，使得裂纹以撕裂状迅猛扩大。
2．2原材料因素引起的曲轴失效
提高曲轴原材料的各项性能是减少曲轴失效的重要方法。合金材料中的每个组元都会影响材料性能。冶炼材料时，除了会加入所需元素外．同时还无法避免地带入一些有害元素。有害元素分2类：①冶炼时带人的一些气体元素，例如：氧、氢、氮等：②其他一些非金属元素，比如：磷、硫等。而且原材料在冶炼时所遗留的偏析、疏松、杂质等缺陷也非常影响材料质量。
某柴油机工作时．润滑油压力骤降．呼吸器有润滑油渗出。拆捡发现。曲轴在第2、第6缸连杆轴颈的中间位置发生了断裂。
(1)断面分析裂纹源在2个油孔的开口位置．油孔粗糙度较大．表面裂纹的产生方向和曲轴的最大切应力方向一致．在断H可清晰地看到疲劳贝纹线(见图4)，刚开始比较密集，随着裂纹的扩大，贝纹线的间距也慢慢增大。而疲劳断裂的重要特征就是清晰的贝纹线．因此可推断该断裂为多源疲劳断裂。在断面上可找到3个裂纹源，2个在油孔位置，1个在轴颈表面．然后分别朝心部和轴柄方向扩大。
(2)氮化层分析从曲轴未磨损处取样测得，氮化层的硬度为HV。3575，厚度为0．3 rain，均达到设计标准。
(3)机械性能测试与金相组织分析从连杆轴颈上取样测量各项机械性能，结果为：抗拉强度879 MPa、屈服强度718 MPa、断面收缩率62．1％、延伸率18．7％、硬度HB290～300，均合格。从裂纹源处横向取样分析金相组织．其构成为：回火索氏体和较少的贝氏体．为合格的金相组织。
(4)曲轴材料化学成分分析从曲轴没有被破坏的基体组织中取样．检测化学元素组成。可发现材料中硫元素和磷元素的含量均低于0．025％．铜元素的含量低于0．20％，均达标。但是分析氢元素的含量，3个试样中氢元素的含量分别为：3．6 ppm、2．5ppm、2．6 ppm，平均值为2．9 ppm。
(5)失效原因讨论金属材料中氢元素为有害元素，会降低各项性能，只需1．0 ppm的氢含量就会使金属的脆性显著增加。氢元素和金属元素相互作用。使得金属变脆，较常见的氢脆有：氢蚀、氢化物致脆、白点和氢致延迟断裂等。氢元素在钢里面的溶解度较低．含量高于溶解度就可能产生白点。但因为钢内部本身有很多缺陷，缺陷表面都能吸附氢，所以一般氢含量小于2 ppm时，不会产生白点，但曲轴在工作时承受各种复杂应力．使得氢元素会向应力较大的区域转移，导致这些区域的脆性升高，引发断裂的发生。
氢元素含量超过2．7 ppm时．钢就很可能产生裂纹。该曲轴中氢元素含量最大达到了3．6 ppm，平均值也达到了2．9 ppm．超过了相关文献中所介绍的第2类氢脆极限(1～1．5 ppm)。所以可推测。该曲轴材料应该已经引发了第2类氢脆。氢元素更大的危害是使材料发生延迟破坏。是指：即便曲轴所受的应力较小。氢元素也会慢慢扎堆。使得基体原子之间的结合力减小，导致韧性降低，脆性升高，引发脆性断裂。所有证据都表明：该曲轴的断裂与原材料中氢元素的含量过大有直接关系．氢元素含量过大导致了原始裂纹源的生成．最终引发曲轴断裂。因此厂家在生产曲轴时，也应该选择氢元素含量较低的钢。同时。锻造后的热处理也非常重要。合金元素含量较大的钢．对氢元素更为敏感。所以应该按照钢在冷却时的金相转变特征来选择除氢方法。锻造结束后，应及时进行热处理。然后进行正火及除氢退火等工艺。前者使钢组织中的晶粒变小．后者使氢元素含量减少到最低并使其均匀分布．从而避免氢元素含量过大所引发的曲轴脆性增加。
2．3机械加工不当导致的失效
机械加工时遗留的加工缺陷，如粗糙度过大、遗留刀痕或残余应力过大等．会极大影响曲轴质量。某曲轴断裂事故．拆检后发现断裂位置处于输出端第1个连杆轴颈与曲柄相接的圆角位置．观察断口为典型的疲劳断裂。裂纹源在连杆轴颈内侧的圆角位置。在该断裂曲轴的连杆轴颈圆角位置．发现了比较严重的磨削加工时所遗留的刀痕．且该处粗糙度为1．2 la,m。而图纸标准为0．4¨m，可见粗糙度远远超标。
检测曲轴材料的化学成分均达标；分析金相组织，为回火索氏体和较少的贝氏体及铁素体．正常。所以可肯定导致该失效的原因是：严重的磨削加工所遗留的刀痕。以及圆角位置过大的粗糙度。另一柴油机发生了曲轴断裂失效事故。检测曲轴材料的化学成分均达标：金相组织为回火索氏体和较少的贝氏体及铁素体，正常。
测量其表面粗糙度：主轴颈表面粗糙度为0．23 la,m，设计标准为O．20 Ixm．尚可。主轴颈圆角位置的粗糙度0．75 p,m，图纸标准为0．4 la,m，远远超过了设计要求。仔细观察．发现主轴颈圆角位置有两段圆弧。这很反常．测得其大圆弧半径为R5．6 mm．在其大圆弧的中间位置有-d,段小圆弧，半径为R3．6 mm．而设计要求此处过度圆角的半径为R6．0 mill。并且要求圆滑。回顾这2起事故，其曲轴材料均合格．热处理也恰当．但在2起事故曲轴的圆角位置。都找到了机械加工时所遗留的缺陷：第l台是在机械加工时。留下了严重的磨削刀痕．且圆角处粗糙过大；第2台是在应力最为集中的圆角位置居然有2段圆弧．且过渡圆的半径大小也没能达标。正是这些刀痕和加工失误．使得在圆角位置的应力高度集中．随着工作时间的增多．就产生了疲劳裂纹源，最后导致曲轴断裂。
3.结语
(1)曲轴的早期断裂失效形式基本上为疲劳断裂：
(2)连杆轴颈、主轴颈与曲柄圆周相接的圆角位置是曲轴所受应力最大的位置。因为过渡圆半径较小(一般要求为6 mm)且加工及处理都比较麻烦．导致应力集中现象明显，容易产生裂纹源；
(3)油孔位置也是曲轴的薄弱位置。开口的加工质量、形状及尺寸都直接影响曲轴的疲劳强度。若加工或维修时处理不好。留下了刀痕或其他缺陷，会带来应力集中。导致疲劳裂纹的生成：
(4)曲轴原材料的氢元素含量对后续工艺及各项性能有直接影响。若原材料里氢含量高于2 ppm，就会大大增加曲轴的脆性．极易导致曲轴发生早期断裂失效
(5)曲轴在淬火后冷却不够及时和充分，会产生大量的铁素体和上贝氏体，导致曲轴强度、硬度和冲击韧性等各项静态性能大大降低．更会使曲轴的抗疲劳强度等各项动态性能大幅降低：
(6)曲轴正火时不够充分或温度过高，会使形成的奥氏体晶粒大小不一。且晶界平直．还会生成具有方向性的上贝氏体和铁素体，使曲轴的各项性能变差；
(7)锻造曲轴时若在圆角位置遗留了折叠层，就极易导致曲轴在这些位置开裂，甚至断裂：
(8)圆角位置的机械加工质量直接影响曲轴的疲劳强度。若曲轴在生产或者大修的磨削处理时，在这些位置遗留了加工刀痕．就会带来严重的应力集中，大幅降低曲轴的疲劳寿命。
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