柴油机曲轴断裂分析

杨涵

摘 要：某型号柴油发动机曲轴在台架实验运行约840小时后发生断裂，采用宏观检查、微观检查、金相组织检查、材料化学分析、材料力学性能检验等方法进行了失效分析，分析结果表明：曲轴在复杂工况下产生了疲劳断裂，疲劳裂纹起始于R角凸肩边缘1.5mm处，该位置存在粗大的魏氏组织降低了曲轴的抗疲劳强度。

关键词：曲轴;发动机;断裂

中图分类号：U467  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）14-98-03

Abstract： The crankshaft of a certain type of diesel engine fractured after about 840 hours of bench test operation. Failure analysis was performed using methods such as macro inspection， micro inspection， metallographic inspection， material chemical analysis， and material mechanical performance inspection. Fatigue fracture occurred under the working condi -tions， and the fatigue crack started at 1.5mm of the R-angle shoulder edge， where the presence of coarse Weiss structure reduced the fatigue strength of the crankshaft.

Keywords： Crankshaft; Engine; Fracture

CLC NO.： U467  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）14-98-03

前言

某型號发动机曲轴在台架实验运行约840小时后发生断裂。曲轴材质为42CrMoA钢，该曲轴的加工工艺为：锻造-正火-淬火-回火-热校直-去应力回火-机加工-时效处理-淬火-回火-机加工。

1 宏观检查

从图中可看曲轴断裂的位置处于第六缸连杆轴径与主轴颈结合处，裂纹穿过整个曲柄臂最终导致曲轴发生断裂，如图1所示。图2是端口的形貌，仔细分别可隐约看到裂纹扩展的贝壳状弧线，这种贝壳状弧线是疲劳断裂特有的形貌。图中黄色箭头指示多组疲劳弧线，沿着箭头反方向查找，可推断出疲劳源区对应于R角凸肩表面的位置，距离R角凸肩边缘1.5mm左右。

2 微观检查

从宏观上看，断口疲劳源区还保留着断裂特征，但从扫描电镜下观察到的形貌显示疲劳源区已被磨损地十分严重。据介绍在台架实验过程中，发生曲轴抱死又再次启动的情况，这很可能导致整个断口发生了严重磨损，图5是疲劳源区的放大形貌，未观察到可能导致裂纹萌生的缺陷，缺陷也有可能已被挤压研磨掉。

3 金相组织检查

3.1 低倍组织检查

将样品酸洗和电解腐蚀，最终得到如图6所示的组织形貌，从图中可以看出断裂处组织的宏观缺陷并不明显，评定为1级中心疏松，无其他缺陷，缺陷情况不严重。

3.2 材料的夹杂物检查

将样品进行抛光并在100倍光学显微镜下检查。从图7可见，材料内只有很少的夹杂物。

3.3 金相组织检查

将曲轴疲劳源区的样品进行抛光和溶液侵蚀，获得材料500倍下的金相组织。从图中观察到有粗大的魏氏组织，不满足 “不允许有魏氏组织”的技术要求，进一步取非疲劳源区的样品在500倍下观察到的金相组织相对细小，基本上都是索氏体和少量铁素体，金相组织正常。

通过上述分析，材料疲劳源区的金相组织不合格。

4 材料化学分析

在曲柄臂内部取样，利用直读光谱的方法对曲轴的化学成分进行了分析，表中显示的结果表明曲轴的化学成分符合国标对42CrMoA钢的要求。

5 材料力学性能检验

在连杆轴颈半径的1/2处取φ6和U型缺口试样，分别做拉伸和冲击试验，从表中可以看出曲轴材料的各项拉伸力学性能都满足产品标准的规定值。

6 硬度检验

对曲轴断口疲劳区组织的表层区域做硬度测试，测试具体位置分布见图10，表3是测试后的维氏硬度结果，箭头指示疲劳源区，未淬火区域的硬度通常只在HV1280到290之间，然后硬度逐级增加，到表面淬火区域的硬度在HV1520左右，可见硬度存在显著差异。而存在魏氏组织区域的硬度在HV1255左右，硬度明显低于周围基体区域。

7 结论与建议

曲轴在复杂工况下产生了疲劳断裂，疲劳裂纹起始于主轴颈距离R角凸肩边缘1.5mm处，该位置存在粗大的魏氏组织，该组织的存在降低了曲轴的抗疲劳强度，最终导致曲轴在复杂工况下断裂。建议：（1）控制热处理温度，避免过高温度;（2）注重实际生产过程的控制，避开形成魏氏体的冷却情况;（3）通过采用合适的工艺如正火、退火等来消除粗大晶粒。

参考文献

[1] 陈渝，汽车发动机曲轴断裂失效分析[J]，理化检验（物理分册），2012 （08）：61-64.

[2] 李显戴，张芳，王必璠等.某发动机曲轴断裂分析[J]，汽车科技，2014 （2）：66-70.

[3] 王春芬，李雪峰，张海峰等.曲轴断裂原因分析[J]，热加工工艺，2011 （24）：248-250.

[4] 焦丽，王国亮，徐向阳等.柴油机曲轴断裂原因分析[J]，金属热处理，2015，40（8）：195-198.

[5] Chen W. The Microscopic Analysis on the Crankshaft Fracture Sur -face of the Compressor[J]. Advanced Materials Research，2014， 912 -914：837-840.