鄭 真，張 兵，趙 劍

(1.北京航空材料研究院 中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095；2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4.川慶鉆探工程有限公司 安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院，四川 德陽(yáng) 618300)

?

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸斷裂分析

鄭 真1,2,3，張 兵1,2,3，趙 劍4

(1.北京航空材料研究院 中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095；2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4.川慶鉆探工程有限公司 安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院，四川 德陽(yáng) 618300)

汽車(chē)行駛3萬(wàn)多km后發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸發(fā)生斷裂。通過(guò)宏微觀觀察、金相檢查、力學(xué)性能測(cè)試、R尺寸及表面粗糙度測(cè)量，對(duì)曲軸的斷裂性質(zhì)和原因進(jìn)行分析。結(jié)果顯示：曲軸斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂；曲軸基體組織為珠光體+連續(xù)網(wǎng)狀鐵素體，鐵素體呈連續(xù)網(wǎng)狀沿晶分布，導(dǎo)致材料塑性、沖擊韌性和疲勞性能降低，是導(dǎo)致曲軸疲勞斷裂的主要原因；此外，R角處表面粗糙度超出技術(shù)要求，促進(jìn)了疲勞裂紋的萌生。

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸；49MnVS3非調(diào)質(zhì)鋼；疲勞斷裂；網(wǎng)狀鐵素體

0 引言

曲軸是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的部件之一。它將連桿傳來(lái)的力轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩并輸出以驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)上其他附件工作。旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力、周期變化的氣體慣性力和往復(fù)慣性力的共同作用，使曲軸承受彎曲扭轉(zhuǎn)載荷。此外，由于路況等原因，曲軸在車(chē)輛行駛過(guò)程中不可避免會(huì)受到?jīng)_擊載荷的作用。因此曲軸材料必須具有足夠高的強(qiáng)度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度，一般采用球墨鑄鐵或碳素結(jié)構(gòu)鋼制成[1]。

曲軸的斷裂失效形式通常有如下幾種情形[2-3]：1)校直引起原始裂紋；2)圓角淬火工藝不合理，在服役過(guò)程中會(huì)引起疲勞裂紋；3)鍛造質(zhì)量問(wèn)題；4)鑄造缺陷；5)加工不當(dāng)引起應(yīng)力集中；6)曲軸服役過(guò)程中的異常情況。一旦曲軸發(fā)生故障,車(chē)輛將由于失去動(dòng)力源而無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行,甚至引起安全事故。由于曲軸在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要性和關(guān)鍵性，有必要結(jié)合典型案例，對(duì)曲軸斷裂的原因進(jìn)行分析，以便提出相應(yīng)的解決措施，防止該類(lèi)故障的再次發(fā)生。

汽車(chē)行駛3萬(wàn)多km后發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸發(fā)生斷裂。曲軸材質(zhì)為49MnVS3非調(diào)質(zhì)鋼。硬度要求為HB 217～285，抗拉強(qiáng)度要求為700～950 MPa，斷面收縮率≥20%。制造工藝為：鍛造→控冷→拋丸→清洗→防銹處理。本研究通過(guò)宏微觀觀察、金相檢查、力學(xué)性能測(cè)試、R角尺寸及表面粗糙度測(cè)試，確定曲軸的斷裂性質(zhì)，并對(duì)其斷裂原因進(jìn)行分析。根據(jù)分析結(jié)果，提出相應(yīng)解決措施。

1 試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果

1.1 宏微觀觀察

采用目視進(jìn)行宏觀觀察。曲軸主要由主軸頸、連桿頸和扇形板3部分組成，斷裂位置處于曲軸連桿頸與扇形板的過(guò)渡處(圖1)。裂紋從轉(zhuǎn)角處起源，呈線源開(kāi)裂特征，斷面可見(jiàn)明顯的疲勞弧線，裂紋擴(kuò)展穿透曲軸壁厚，整個(gè)斷面大部分都為疲勞區(qū)，瞬斷區(qū)面積很小(圖2)。

圖1 曲軸斷裂位置及宏觀形貌

圖2 斷口源區(qū)及疲勞弧線形貌

采用蔡司EVO18型掃描電鏡進(jìn)行微觀觀察，源區(qū)低倍形貌見(jiàn)圖3a，斷口呈線源開(kāi)裂特征，源區(qū)可見(jiàn)擴(kuò)展棱線。源區(qū)附近斷面磨損嚴(yán)重(圖3b)。源區(qū)附近側(cè)表面可見(jiàn)一條磨損區(qū)域，未見(jiàn)粗大加工刀痕和冶金缺陷(圖3c)。擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)疲勞條帶特征(圖3d)。斷口未見(jiàn)明顯的硫化物聚集現(xiàn)象。

1.2 金相組織

從斷口源區(qū)處截取垂直于斷口的截面試樣，磨拋腐蝕后采用奧林巴斯SZ 61型金相顯微鏡進(jìn)行組織檢查，腐蝕劑選用4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硝酸酒精溶液。曲軸基體組織為珠光體+連續(xù)網(wǎng)狀鐵素體(圖4)。按照GB/T 6394—2002，采用對(duì)比法對(duì)曲軸晶粒度進(jìn)行評(píng)級(jí)，源區(qū)附近曲軸晶粒度約為3.5級(jí)，接近技術(shù)要求(3～7級(jí))的下限。

1.3 力學(xué)性能

從扇形板取樣(取樣位置見(jiàn)圖1)，按GB/T 231.1—2009進(jìn)行布氏硬度測(cè)試。曲軸基體布氏硬度平均值約為HB 264，符合技術(shù)要求(HB 217～285)。

從扇形板切取圓棒拉伸試樣(取樣位置見(jiàn)圖1)，按GB/T 228.1—2010進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。曲軸抗拉強(qiáng)度符合技術(shù)要求，4個(gè)試樣中A、C試樣的斷面收縮率低于技術(shù)要求，延伸率雖然沒(méi)有技術(shù)要求，但相對(duì)偏低[4]。對(duì)4個(gè)拉伸試樣斷口特征進(jìn)行觀察，除C斷口主要呈韌窩特征外，其余斷口均呈解理和韌窩混合特征， A、C和D試樣斷面可見(jiàn)較明顯的硫化物，分布區(qū)域分別為2/3斷面、整個(gè)斷面和1/2斷面，B試樣斷面上未發(fā)現(xiàn)硫化物，由此可見(jiàn)，硫化物在斷面上存在的比例越高，試樣的斷面收縮率就越小。斷面上典型硫化物特征見(jiàn)圖5。

表1 試樣拉伸性能檢測(cè)結(jié)果

從扇形板切取U型沖擊試樣(取樣位置見(jiàn)圖1)，按GB/T 229—2007金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢?jiàn)，曲軸的沖擊功平均值約為4.2 J，換算成沖擊韌性值為24 J/cm2，曲軸的沖擊韌性雖然沒(méi)有技術(shù)要求，但對(duì)于作為承受交變動(dòng)載荷的曲軸來(lái)說(shuō)，該沖擊韌性值相對(duì)較低[4-7]。對(duì)沖擊試樣斷口進(jìn)行微觀觀察，3個(gè)試樣斷口微觀形貌相似：斷口心部主要呈解理特征，斷口邊緣主要呈韌窩特征，其中B沖擊試樣斷口邊緣局部可見(jiàn)硫化物。

圖3 曲軸斷口微觀形貌

圖4 曲軸金相組織

圖5 拉伸斷口硫化物形貌

表2 試樣沖擊性能檢測(cè)結(jié)果

1.4 R角尺寸及表面粗糙度測(cè)量

對(duì)源區(qū)附近R角尺寸及表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，R角半徑平均值約為3.45 mm，符合技術(shù)要求(3.5±0.2)mm。R角表面粗糙度平均值為約0.34 μm，超出技術(shù)要求(0.2 μm)。

2 分析與討論

曲軸斷口宏觀形貌可見(jiàn)疲勞弧線，微觀形貌可見(jiàn)疲勞條帶，由此可判斷曲軸斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂[8]。

金相檢查顯示，曲軸材料組織為珠光體+連續(xù)網(wǎng)狀鐵素體。沖擊試驗(yàn)結(jié)果顯示，曲軸基體材料沖擊性能較差。鐵素體沿晶界呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，會(huì)降低材料的塑性、沖擊韌性和疲勞性能[9-12]。斷口附近的R角表面粗糙度超出0.2 μm的技術(shù)要求，會(huì)加大R角處的應(yīng)力集中，從而促進(jìn)疲勞裂紋的萌生，曲軸呈線源開(kāi)裂也說(shuō)明斷口起源處應(yīng)力較大。汽車(chē)在行駛過(guò)程中因車(chē)況、路況等復(fù)雜因素，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸不可避免會(huì)受到較大載荷的作用，在較大載荷作用下，曲軸在應(yīng)力集中的R角處發(fā)生疲勞開(kāi)裂。

曲軸斷口上未見(jiàn)明顯的硫化物聚集現(xiàn)象，說(shuō)明硫化物并不是導(dǎo)致曲軸疲勞開(kāi)裂的原因，但拉伸試樣斷口顯示，斷口硫化物聚集程度較嚴(yán)重的拉伸試樣斷面收縮率較低，斷口硫化物聚集程度較輕的拉伸試樣斷面收縮率較高，說(shuō)明硫化物聚集會(huì)影響材料的塑性。

非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)韌化機(jī)理和特點(diǎn)在于，通過(guò)合理的鍛壓熱加工工藝，可使微合金結(jié)構(gòu)鋼中的沉淀相彌散析出并且得到較細(xì)的晶粒，從而達(dá)到提高強(qiáng)度又保持較高韌性的目的。要達(dá)到這一目的，需要選擇合適的合金成分，并且其熱加工參數(shù)及冷卻條件需與成分相適應(yīng)。曲軸晶粒度接近下限，并且鐵素體沿晶界呈網(wǎng)狀，使得材料塑性和沖擊韌性偏低，可以通過(guò)調(diào)整熱加工參數(shù)及冷卻條件(始鍛和終鍛溫度、冷卻速度)來(lái)獲得較好的綜合性能，特別是提高材料塑性和沖擊韌性[4,7]。

3 結(jié)論

1)曲軸的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

2)鐵素體呈連續(xù)網(wǎng)狀沿晶分布，導(dǎo)致材料沖擊韌性和疲勞性能降低，是導(dǎo)致曲軸疲勞斷裂的主要原因。

3)R角處表面粗糙度超出技術(shù)要求，導(dǎo)致應(yīng)力集中系數(shù)增加，是引發(fā)曲軸斷裂的次要原因。

[1] 楊勇,施鋼,馮文萊,等. 輕型客車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸斷裂原因分析[J]. 失效分析與預(yù)防,2016,11(1):17-20.

[2] 馮繼軍,郭文芳. 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸常見(jiàn)的失效形式及原因分析[J]. 失效分析與預(yù)防,2006,1(5):7-12.

[3] 劉紅福,周先忠,于秋明,等. 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞失效形式與原因分析[J]. 失效分析與預(yù)防,2015,10(1):57-61.

[4] 宣衛(wèi)芳,羅天元,楊曉然．49MnVS3非調(diào)質(zhì)易切削鋼汽車(chē)曲軸的失效分析[J]. 理化檢驗(yàn):物理分冊(cè),2005,41(12):630-632.

[5] 唐新民,趙九根. 非調(diào)質(zhì)鋼曲軸的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[J]. 金屬熱處理,2000(2):47-49.

[6] 周民俊,楊永泉,杜金凱. 49MnVS3非調(diào)質(zhì)鋼質(zhì)量分析和工藝的改進(jìn)[J]. 特殊鋼,2002,23(增刊):74-75.

[7] 胡士琴. 非調(diào)質(zhì)鋼在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上的運(yùn)用[C]. 2000年全國(guó)微合金非調(diào)質(zhì)鋼學(xué)術(shù)年會(huì),2000:111-115.

[8] 張棟,鐘培道,陶春虎,等. 失效分析[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2005:130-134.

[9] 陶春虎,劉高遠(yuǎn),恩云飛,等. 軍工產(chǎn)品失效分析技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2009:62-66.

[10] 李偉,陳文琳,吳躍,等. 40Cr商用車(chē)前軸早期斷裂失效分析[J]. 塑性工程學(xué)報(bào),2014,21(5):88-92.

[11] 周海波,朱曉勇,鄭玉春,等. 45鋼螺栓斷裂失效分析[J]. 金屬熱處理,2009,34(12):107-109.

[12] 周薇,曾會(huì)書(shū). 傳動(dòng)軸斷裂失效分析[J]. 熱處理技術(shù)和裝備,2014,35(3):52-54.

Fracture Analysis of Car Engine Crankshaft

ZHEN Zhen1,2,3，ZHANG Bing1,2,3，ZHAO Jian4

(1.AVICFailureAnalysisCenter,BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China;2.BeijingKeyLaboratoryofAeronauticalMaterialsTestingandEvaluation,Beijing100095,China;3.AviationKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonMaterialsTestingandEvaluation,Beijing100095,China;4.SafetyEnvironmentQualitySurveillance&InspectionInstitute,SichuanDeyang618300,China)

The engine crankshaft of a car fractured after running for more than 30 thousand kilometers. In order to find out the failure mode and cause, macro and micro observation, microstructure examination, mechanical properties testing and the size and surface roughness testing of the R transition region were carried out. The results show that the fracture mode of the crankshaft is failure fracture. The microstructure is made up of pearlite and ferrite network. Ferrite network reduced the ductility, impact toughness and fatigue property of the crankshaft, which is the main reason for the fatigue fracture of the crankshaft. In addition, the surface roughness of the R transition region is higher than requirement, promoting the initiation of the crack.

engine crankshaft; 49MnVS3 non-quenched and tempered steel; failure fracture; ferrite network

2016年5月4日

2016年7月14日

鄭真(1989年-)，女，工程師，主要從事微觀物理及失效分析等方面的研究。

TG142.33；U464.13

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.04.013

1673-6214(2016)04-0261-04