汽车发动机曲轴扭转疲劳失效形式与原因分析

刘红福，周先忠，于秋明，孙 军，倪培相

(天润曲轴股份有限公司，山东 文登 264400)

0 引言

曲轴是汽车发动机最重要的零件之一，运转中的受力情况非常复杂，承受着弯曲、扭转和压缩等载荷的作用。这些载荷不仅数值较大，而且一般呈周期性变化，容易引起曲轴的扭转和弯曲变形甚至产生裂纹和断裂［1-2］。曲轴形状复杂，主轴颈与连杆颈的连接过渡圆角、连杆颈油孔加工部位等不可避免存在着应力集中，容易产生裂纹并导致曲轴失效，且一旦损坏后往往会造成严重的后果，引起其他重要机件的毁损。

弯曲疲劳断裂和扭转疲劳断裂是发动机曲轴最主要的两种失效形式。对于弯曲疲劳失效，往往比较重视并进行了大量研究［3-4］，而对于扭转疲劳失效，由于失效比例低，加之疲劳试验条件的限制，没有得到足够重视，很少有人对其进行研究。近年来，随着曲轴扭转疲劳失效故障的增多，发动机厂家和曲轴生产厂家越来越重视曲轴的抗扭转疲劳强度。因此，总结曲轴的扭转疲劳失效模式，分析失效原因并提出改进措施，对指导曲轴生产、提高其抗扭转疲劳强度非常有意义也十分必要。本研究结合近年来曲轴疲劳试验中的案例，介绍汽车发动机曲轴常见的扭转疲劳失效模式，并进行原因分析，旨在对曲轴的生产加工及相关行业起到一定的借鉴作用。

1 扭转疲劳失效概述

曲轴的疲劳是指曲轴在变动载荷作用下，经过较长应力循环周次运转后由于累积损伤而引起的突然失效或破坏的现象。按照曲轴所受应力状态不同可分为弯曲疲劳和扭转疲劳。

曲轴扭转疲劳试验是指曲轴在一定的扭转交变载荷作用下循环一定周次是否发生失效的耐久试验，主要考察曲轴的抗扭转疲劳能力。曲轴扭转疲劳试验是在特定的曲轴扭转疲劳试验机上进行，试验频率为系统的共振频率，通过试验机施加在试样上一个圆周方向的扭转载荷，载荷为正弦波，每个试样在一个固定的载荷下运行至一定的循环次数判断其是否失效。扭转疲劳失效是指试样在往复的扭转载荷作用下，未达到予定的循环次数试样就发生破坏的一种失效形式。

在曲轴疲劳试验过程中，由于试样各部位应力集中程度的不同，失效位置也会不同。应力比较集中的部位容易首先产生裂纹，引起失效［5］。曲轴在扭转疲劳试验过程中，曲轴受到与圆周方向相同的外力作用，此时，曲轴有呈扭曲状态的趋势，连杆颈斜油孔处是应力最集中的部位［6］，是曲轴扭转疲劳的主要失效部位，但个别曲轴由于本身缺陷造成缺陷部位应力集中程度大于斜油孔处。因此，曲轴扭转疲劳的主要失效部位一般在连杆颈斜油孔处，裂纹与轴向成45°分布。曲轴弯曲疲劳受到与轴向垂直、与主轴颈和曲柄销中心线所在平面平行的外力作用，曲柄销与曲柄臂的过度圆角处是应力最集中的部位。曲轴弯曲疲劳的主要失效部位在曲柄臂与曲柄销过渡圆角处，失效特征为平行于圆周方向的周向裂纹。

2 失效形式及分析

以各种不同型号的扭转疲劳试验失效曲轴为例，阐述曲轴扭转疲劳的失效形式，并分析导致失效的原因。

2.1 设计不合理导致失效

材质为48MnV 非调质钢的锻钢曲轴，主要表面强化工艺为轴颈+圆角中频感应淬火。曲轴在14.5 kN·m 的扭转试验载荷下，循环143 万次在曲柄臂处产生裂纹，见图1。试验后探伤发现，该批次曲轴扭转失效位置均在主轴颈与连杆颈相连接的曲柄臂处，该处有锻造钢印号(凸出或凹陷)，裂纹恰好经过此处。

由断口形貌分析发现，疲劳裂纹的起始位置位于曲柄臂侧面的钢印号处，从表面向内部延伸(图2)。把断口磨平后制成金相试样，观察金相组织。经组织观察发现，裂纹源处(锻造标识位置)有明显的氧化物夹杂，而且表面发生脱碳(图2c)。基体组织为正常的珠光体+铁素体组织，晶粒大小比较均匀，晶粒度符合技术要求。可见，曲轴扭转疲劳断裂是由于曲柄臂表面锻造标识处的氧化物夹杂和表面脱碳导致。

图1 曲柄臂扭转裂纹Fig.1 Torsional crack of crank web

曲柄臂上无论是凸出或凹陷的锻造标识，都会造成该处应力集中甚至锻造缺陷，因此在扭转疲劳载荷下裂纹首先从有标识的曲柄臂处产生并最终失效。

图2 断口形貌Fig.2 Morphology of fracture

图3 裂纹源微观组织Fig.3 Microstructure of crack source

2.2 毛坯表面凹陷导致失效

材质为42CrMoA 的锻钢曲轴，主要表面强化工艺为轴颈+圆角中频感应淬火。曲轴在10 kN·m扭转试验载荷下，循环94 万次在曲柄臂处产生裂纹，见图4。

图4 曲柄臂扭转疲劳裂纹Fig.4 Torsional fatigue crack at crank web

经宏观观察发现，曲柄臂表面有一个凹槽，裂纹恰好经过凹槽最底处(图5a)。切割裂纹部位并解剖，发现裂纹源在曲柄臂表面缺陷处，由表面向内部扩展(图5b)。曲柄臂的凹槽缺陷容易引起应力集中，在交变扭转载荷作用下，缺陷处应力集中加剧，当应力集中程度超过了材料本身的抗应力水平，便产生了裂纹［7］，随着裂纹的不断扩展曲轴发生断裂失效。曲轴毛坯的凹槽缺陷是由于毛坯在锻造过程中材料流动补充不足或模具内表面有气体导致曲轴毛坯最表面材料无法填充完全引起缺陷。

2.3 锻造夹杂导致失效

材质为38MnVS6 的锻钢曲轴，主要表面强化工艺为轴颈+圆角中频感应淬火。曲轴在16.5 kN·m 扭转试验载荷下，循环367 万次在连杆颈下止点处产生裂纹，裂纹与曲轴轴向平行，主裂纹较粗较长，横穿整个连杆轴颈，主裂纹两侧有较多锯齿状分叉，连杆颈两侧圆角处分叉较严重，见图6。经过大量试验和计算得出，曲轴扭转疲劳失效的正常位置在连杆颈斜油孔处，裂纹与轴向成45°［8］，因此此处的失效形式属于异常现象。

图5 裂纹及断口宏观形貌Fig.5 Macro morphology of crack and fracture

经检测发现，连杆颈裂纹位置恰好是曲轴分模面处，且裂纹位置有较多的夹杂物(图7)。曲轴分模面是钢材开始热模锻成形时多余金属流出形成飞边的中心面。锻件整个形变过程原材料中心部位的缺陷和夹杂物朝分模面和飞边汇集而密布于切边处。对于锻造可变形的非金属夹杂物，如硫化物和多数硅酸盐等，在分模面顺金属延伸方向而呈片状形式存在;对于锻造不可变形的非金属夹杂物，如氧化物和氮化物等，则在分模面顺金属延伸方向而呈面网状集团形式存在，从而引起金属在分模面处分层［9］。由于以上原因导致分模面成为抗撕裂能力极差的层状结构组织，即“弱面”。分模面处过多的夹杂物导致晶粒间的结合力弱，强度降低［10］。在扭转载荷作用下，该处应力集中并提前达到材料的疲劳极限应力，导致裂纹产生并失效。

图6 连杆颈下止点扭转裂纹Fig.6 Torsional crack at bottom center of rod journal

图7 裂纹处金相照片Fig.7 Metallograph at crack side

2.4 油孔加工缺陷导致失效

材质为QT900－5 的球墨铸铁曲轴，主要表面强化工艺为轴颈+圆角滚压。曲轴在9 kN·m扭转试验载荷下，循环67 万次在连杆颈斜油孔处产生裂纹，裂纹方向与轴向约成45°，见图8。

沿斜油孔裂纹剖开后，观察断面形貌，发现裂纹源在斜油孔内部离轴颈表面不远处(图9)，此处为人工修理斜油孔时导致的缺陷。斜油孔处本身就是曲轴在扭转载荷下应力最集中的地方，加之缺陷的存在，使应力更加集中，导致曲轴在较低载荷下发生扭转疲劳开裂。

2.5 斜油孔失效

材质为42CrMoA 的锻钢曲轴，主要表面强化工艺为轴颈+圆角中频感应淬火。曲轴在1.4 kN·m扭转试验载荷下，循环150 万次在连杆颈斜油孔处产生裂纹，裂纹方向与轴向约成45°，见图10。

图8 扭转疲劳裂纹Fig.8 Torsional fatigue crack

图9 斜油孔内壁裂纹源Fig.9 Crack source at inwall of oil hole

图10 斜油孔裂纹Fig.10 Crack at oil hole

沿斜油孔裂纹剖开后观察断面形貌，发现裂纹源在斜油孔内壁离轴颈表面约10 mm 处，油孔内壁加工情况良好，没有明显缺陷(图11)。在循环载荷下，油孔内壁是应力最集中的地方，容易引起疲劳开裂［11］。裂纹源在轴颈淬硬层以下，而不在淬火区和淬火透热区，裂纹与淬火情况无关。该曲轴扭转失效属于正常的扭转失效形式。

图11 油孔内壁裂纹源Fig.11 Crack source at inwall of oil hole

3 改进措施

1)在曲轴初始设计阶段，要结合发动机各项参数，综合考虑，制定合理设计方案、设计模型，反复模拟试验，确定最优的设计结构和尺寸。

2)对于已经设计定型的新产品曲轴，要想达到较高的扭转疲劳强度，需要选择较好的材料;提高铸造、锻造毛坯表面质量;采用合理的毛坯热处理工艺提高基体强度;优化油孔加工工艺提高油孔加工质量。

3)对于批量生产并在装机使用过程中常发生扭转疲劳断裂的曲轴，要提高曲轴抗扭转疲劳强度，需要做到如下几点:一要改进毛坯铸造、锻造技术，提高毛坯表面质量;二要加强热处理工艺控制，提高曲轴基体强度;三要加强连杆斜油孔的生产过程控制，保证斜油孔内壁的加工质量。

4 结论

1)曲轴扭转疲劳失效位置一般发生在连杆颈斜油孔、曲柄臂和连杆颈下止点3 处，连杆颈斜油孔处属于正常失效位置，曲柄臂和连杆颈下止点属于非正常失效位置。

2)对于连杆颈斜油孔处失效，裂纹源一般在油孔内壁距轴颈表面约10 mm 位置，主要与曲轴的结构尺寸和材料有关，与淬火热处理无关。

3)对于曲柄臂和连杆轴颈失效，曲柄臂失效主要是由毛坯外表面质量缺陷导致的，连杆轴颈失效主要是由毛坯材质缺陷导致的。缺陷部位疲劳极限应力较低，试验过程中试验载荷使曲轴局部产生的拉应力容易提前达到缺陷部位的应力极限，导致该处产生裂纹，使曲轴在较低载荷下提前失效。

［1］杨连生.内燃机设计［M］.北京:中国农业机械出版社，1981:188－191.

［2］Hou X Q，Li Y，Jiang T.Fracture failure analysis of ductile cast iron crankshaft in a vehicle engine［J］.Journal of Failure Analysis and Prevention，2011，11(1):10－16.

［3］孙捷，王丽远，曹新鑫，等.汽车发动机曲轴断裂失效分析［J］.金属热处理，2004，29(12):79－81.

［4］徐延海，贾丽萍，张建武.曲轴的疲劳断裂分析［J］.机械强度，2002，24(4):594－598.

［5］王平，高德平.柴油机曲轴的工作可靠性研究［J］.机械科学与技术，2003，22(增刊):57－58.

［6］成有.黄海波.汪建忠.柴油机曲轴疲劳强度影响因素研究分析［J］.西华大学学报，2007，26(1):12－14.

［7］周迅，俞小莉.曲轴疲劳裂纹扩展规律测试及形成机理分析［J］.机械工程学报，2008，44(1):238－242.

［8］冯继军，郭文芳.汽车发动机曲轴常见的失效形式及原因分析［J］.失效分析与预防，2006，1(2):7－12.

［9］叶阳.非调质钢曲轴模锻成形工艺研究［D］.重庆:重庆理工大学，2012:31－32.

［10］付饶，杜风贞，武志勇.大型锻造法兰脆性开裂原因分析［J］.失效分析与预防，2012，7(4):257－261.

［11］邵诗波，李雪鹏.曲轴扭转疲劳断裂分析［J］.内燃机与动力装置，2010(5):52－54.