6DF1曲轴断裂失效原因分析

2012-01-29吕梦国姜全会陈礼清刘相华

武汉科技大学学报 2012年6期

赵阳，吕梦国，姜全会，陈礼清，刘相华

（1.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁沈阳，110819；2.辽宁五一八内燃机配件有限公司，辽宁丹东，118009）

6DF1曲轴属于大马力柴油机发动机用曲轴，在服役过程中偶尔发生早期断裂，严重影响该产品的使用。为避免6DF1曲轴断裂事故的发生，为曲轴的使用提供安全保障，有必要对其断裂原因进行深入分析。本文主要利用断口形貌观察和化学成分分析，结合金相检验和力学性能测试等方法，对6DF1曲轴发生断裂的原因进行研究。

1 试样的选取

现有一6DF1曲轴在服役过程中发生了早期断裂，其断裂位置位于连杆轴颈处，与大多数早期断裂的6DF1曲轴断裂位置及断裂方式一致，具有一定的代表性，因此本研究选择该曲轴来分析6DF1曲轴断裂失效的原因。6DF1曲轴一般使用42Cr Mo钢模锻生产，其主要生产工艺流程为：加热→锻造→切边→扭拐→调质处理→粗加工→去应力退火→圆角淬火→回火→精磨加工→磁粉探伤→入库。

2 检测

首先对6DF1曲轴的断口进行宏观分析，以确定其失效形式；然后在曲轴的断裂位置附近利用线切割取样、机加工成标准试样，分别进行断口的微观形貌观察、化学成分分析和金相组织检验，并对圆角淬火处理后的硬化层深度进行检测和力学性能测试。

主要测试仪器包括：LEICA Q550IW光学显微镜、FEI QUANTA 600扫描电子显微镜、JEOL JXA－8530F场发射电子探针显微分析仪、FM－700显微硬度计、CMT5105微机控制电子万能试验机和INSTRON DYNATUP 9250HV落锤式冲击试验机。

3 检测分析结果

图1 6DF1曲轴的宏观断口照片Fig.1 Macro－morphology of the fracture surface of 6DF1 crankshaft

3.1 断口的宏观形貌

图1为6DF1曲轴断口的宏观形貌照片。由图1中可见，该曲轴的断裂发生在连杆轴颈部位，且断口上有明显的贝纹线特征，表明该曲轴的断裂方式属于疲劳断裂。在疲劳裂纹扩展后期，曲轴断口上出现了裂纹迅速扩展的放射状迹线。根据贝纹线的弓出方向和放射状迹线的扩展方向，可以确定疲劳裂纹源位于图1中箭头所指处，该位置位于连杆轴颈内部，距离连杆轴颈表面为4.8 mm。注意到这类断裂的裂纹源位于连杆轴颈的内部，而一般曲轴断裂的裂纹源位于表面，这种差异在进行该曲轴失效分析时应予以考虑。

3.2 断口的微观观察

图2为6DF1曲轴疲劳源区的SEM形貌照片。虽然断口有些氧化，但仍可以看出在疲劳源区（图2中的圆圈区域）中没有夹杂物，表明疲劳断裂不是由材料的夹杂引起的。

3.3 化学成分分析

表1所示为6 DF 1曲轴的化学成分分析结果。由表1中可见，该6 DF 1曲轴的化学成分符合GB／T 3077—1999标准中对42Cr Mo钢的技术要求，表明该6DF1曲轴的材质符合规定要求。

图2 6DF1曲轴裂纹源区的SEM照片Fig.2 SEM image of the crack initiation region of 6DF1 crankshaft

表1 6DF1曲轴的化学成分（wB／%）Table 1 Chemical compositions of 6DF1 crankshaft

3.4 显微组织分析

图3和图4分别为6DF1曲轴疲劳源附近放大50倍和1 000倍的显微组织照片。从图3中可以看出，6DF1曲轴的组织呈现出明显的成分偏析。而由图4中可见，虽然该曲轴的组织呈现出一定的成分偏析，但仍为回火索氏体，表明采用调质处理工艺并没有给其金相组织带来不利的影响。结合图2还可以看出，该6 DF 1曲轴的断口未发现由锻造工艺不当引起的缺陷，如表面裂纹、折叠、锻入的氧化铁皮等，表明该曲轴的锻造工艺也符合要求。为了确定是何种元素产生了偏析，还利用电子探针对疲劳源附近的显微组织进行了面扫描成分分析，结果如图5所示。由图5中可见，C、Mn和Cr元素都产生了偏析。

图3 6DF1曲轴的显微组织照片（×50）Fig.3 Optical microstructure of 6DF1 crankshaft（50 times）

图4 6DF1曲轴的显微组织照片（×1 000）Fig.4 Optical microstructure of 6DF1 crankshaft（1 000 times）

图5 电子探针元素面扫描照片Fig.5 Face scanning of electron microprobe

3.5 硬化层深度检测

按照GB／T 5617—2005标准，对6DF1曲轴主轴颈和连杆轴颈处的硬化层深度进行了测定，测定结果见表2。由表2中可见，该6DF1曲轴主轴颈和连杆轴颈的硬化层深度均满足规定要求，因此，可判断其疲劳断裂不是由硬化层深度不合格造成的。

表2 6DF1曲轴的硬化层深度Table 2 Hardened layer depth of 6DF1 crankshaft

3.6 力学性能检测

在6DF1曲轴上切取拉伸试样和冲击试样，并进行了拉伸试验和冲击试验，试验结果见表3。从表3中可以看出，6DF1曲轴的力学性能指标均满足技术要求。此外，还对试验后的拉伸试样和冲击试样进行了金相组织检测，结果表明拉伸试样和冲击试样的组织为回火索氏体组织，但组织中未出现成分偏析，表明该6DF1曲轴拉伸试样和冲击试样位置处未出现成分偏析，成分偏析发生在裂纹源附近。

表3 6DF1曲轴的力学性能Table 3 Mechanical properties of 6DF1 crankshaft

4 讨论

该曲轴的疲劳裂纹源位于连杆轴颈的内部靠近表面的位置，表明该裂纹源并不是由表面感应淬火时硬化层深度不够所引起的；考虑到曲轴表面所受到的应力最大，也可以排除裂纹源处发生应力集中的可能；曲轴上没有发现由锻造工艺不当引起的缺陷，且其力学性能指标均符合技术要求。由此可见，该6DF1曲轴的疲劳断裂是由裂纹源处的成分偏析所引起的。

钢锭在结晶时，由于晶内偏析（枝晶偏析）的结果，在枝晶之间富集了硫、磷等杂质，硫、磷的成分偏析将显著增大钢的冷脆性和时效敏感性，降低其力学性能，特别是冲击韧性［1－2］。当曲轴中存在严重的成分偏析时，由于曲轴受到反复的循环应力作用，极易在成分偏析区域形成疲劳裂纹源。一旦形成裂纹源，曲轴将很快发生疲劳断裂，而这正是该6DF1曲轴发生疲劳断裂的原因。通过常规的退火、正火、淬火、渗碳加热等工艺很难消除钢的成分偏析［3］，因此，应提高材料验收标准以避免由于成分偏析引起的疲劳断裂。