大型柴油机曲轴断裂失效研究

徐州工程兵学院，江苏徐州，221009

摘 要：内燃机目前是机械装备的主要动力来源，随处可看见的汽车，在农田当中工作的农业机械，复杂的工程机械等等都需要内燃机作为其动力，随着交通逐渐发达，人们的生活也越来越好，对很多机械设备及其内在的内燃机提出了越来越高的要求，而曲轴是大型柴油机中非常重要的零件，对其失效进行深刻的研究是非常有必要的。

关键词：疲劳断裂；大型柴油机；曲轴；失效研究

引言

在柴油机的内部结构当中，有很多重要的零部件，曲轴就是其中之一。实际上曲轴的工作环境是比较恶劣的，一些曲轴需要在高温的环境之中长期工作，还有一些需要在有腐蚀性的环境下工作，而且曲轴本身受到不同方向的作用力，因此非常容易毫无预兆地发生断裂，一旦这样的情况发生，就会造成很大的经济损失，为了有效避免这一情况，应当对大型柴油机曲轴断裂失效的原因进行探究。

1疲劳断裂概述

1.1疲劳断裂概念

一般在工程构件工作的过程当中，都要承担交变应力的作用方式，交变应力一般会在一段时间之内反复无规律的施加压力，而工程构件本身的承受能力是有限的，长此以往，就非常容易发生断裂的现象，这样的断裂一般人们认为是疲劳断裂。根据目前对大型柴油机曲轴断裂的整体情况进行分析会发现，曲轴失效的原因是非常多的，但是最为常见的就是冲击疲劳失效，而且冲击疲劳失效往往是瞬时的，由于这种断裂方式在一瞬间发生，经常会导致工作过程突然停止，不仅可能会造成非常严重的资金上的损失，还可能会造成人员的伤亡，后果往往是非常严重的。

1.2特点

通过上述的介绍，实际上可以发现疲劳断裂的一个非常显著的特点，就是没有预兆性，在很多的断裂发生之前都会出现变形的现象，这也能够提醒人们早做打算，但是疲劳断裂并没有变形的过程，是一种脆性断裂，实际上曲轴一般是在长时间的工作状态当中积累了非常多的损伤，但是一些经裂纹不是慢慢显现出来的，而是达到了临界状态时，直接发生了断裂。

疲劳断裂实际上是有寿命的断裂，曲轴在长时间的工作状态中承受了很多的作用力，一般来说断裂应力水平都没有达到材料开始预想的强度，但是由于长时间的作业，最后可能是很小的力也会造成曲轴的断裂失效。

因为疲劳断裂往往是从一些很小的地方开始的，一些局部的部位更容易发生疲劳断裂，尤其是一些有缺陷的地方，在一些部位能够看见裂纹的，或者本身就有组织上的缺陷的，或是有缺口的，最容易发生疲劳断裂，因此在一些缺陷的部位应当尤为注意。

疲劳断裂是大型柴油机曲轴断裂失效最为普遍的现象，因此对曲轴发生疲劳断裂的原因进行探究，首先从原材料方面，然后从热加工方面，最后从机械加工方面。

2原材料

对于零件来讲，本身的材料成分和冶金质量在很大的程度上决定了材料的质量，是材料的内部结构，改变零件的内部结构，也就是对材料和制作的方式进行研究，能有效提高零件的性能，可以防止一些断裂的发生。

在进行材料制造的过程当中，一般都会加入一些合金组元，这些化学组成对于零件来说是非常有利的，但是生产原材料的过程当中，不仅会有这些有利元素，也会有一些有害的组员，进入其中，在生产的过程当中，经常会因为各种原因进入一些其他，比如氢气、氧气和氮气等等，这些都是材料生产当中的有害杂质，但是很难避免其进入，因为在生产的过程当中必然会和空气接触，很可能就会混进入很多气体。还有一种可能性是在原材料加入的过程中，带进去一些辅料，比如硫元素和磷元素，一般来说在元素周期表右侧的一些非金属元素，混杂在原材料制造中，都很可能会降低零件的整体质量。

对一些断裂的曲轴进行化学成分的研究，可以发现一些规律，一些含有很多氢含量的曲轴往往更加容易发生断裂，还有一些曲轴本身有低倍组织的缺陷，通过仔细的科学研究，发现上述的两种情况往往会影响钢的工艺性能，而钢又是曲轴元件中非常重要的组成部分，可以说曲轴开裂的很大原因在于钢的性能发生了改变。因此在原材料上，应当避免高的氢含量和低倍组织缺陷这两种情况，尽量保证钢的工艺性能。

3热加工

在大型柴油机内部的曲轴，要求都是比较高的，在形状上也是有很多的样式，但是普遍都非常复杂，为了能够适应柴油机高强度的工作，一些曲轴的长度非常长，还有一些曲轴结构复杂，因此对曲轴进行热加工的过程当中，会出现很多困难的环节，在控制工序上有一些需要探讨的部分。

对于曲轴这类的机械零件来说，锻造是非常重要的一个步骤，经过锻造的曲轴能够形成一定的形状，符合设计的标准，但是在看不见的部位也发生了很大的变化，比如在强度上，还有在韧性上，尤其是在锻造比较大的曲轴时，这种影响就更加明显了。在一些锻造的过程中在工艺的方面出现问题，生产出来的曲轴往往非常容易出现缺陷，并在工作的过程当中容易发生断裂。

热加工手段实际上是为了让曲轴能够达成原本人们计划的组织和性能而进行的步骤，但是在热加工的过程当中，会出现不好的情况，一些热加工的处理方式不够正确，最终导致曲轴直接不能进行正常的工作，还有的曲轴经过热加工之后，并没有增强相应的性能，这也在一定程度上造成曲轴的断裂。

对一些发生断裂的曲轴进行研究发现，一些曲轴在热处理的过程当中存在一些问题，在冷却的环节，没有严格按照规定进行，最终导致曲轴上出现铁素体和贝氏体组织，贝氏体组织本身是能够在一定程度上降低曲轴的疲劳强度，让曲轴容易发生疲劳断裂。原本曲轴的设计是有效的，但是由于不当的热处理过程导致曲轴的性能不能达成原本的设计目标，在使用的过程当中又不能及时发现，最终导致在曲轴原本能够承受的作用力范围内就出现了断裂的现象，给人们造成了损失。

因此在热加工的环节当中应当按照热加工的要求逐步进行，不得出现违规操作，以保证曲轴的质量。

4机械加工

在零件制造的过程当中，需要对零件的外形进行制作，比如去掉多余的部分，按照设计的形状对零件进行加工，一般在进行机械加工之后的零件能够在尺寸和形状等方面都达成设计的要求。

在对曲轴进行机械加工的过程当中，可能会形成加工缺陷，比如在曲轴上面有刀的痕迹就是明显的加工过程中产生的问题。在对曲轴进行磨削加工的时候，由于该过程会产生大量的热能，零件的表面受热，很可能会发生一些变化，比如表层组织有了变化，还有的一些曲轴出现了裂纹，这对于曲轴来讲都可能会影响曲轴的质量。

磨削加工一般的都是在高温的情况下进行加工，在加工部分完成之后，还需要对曲轴进行冷却处理，但是曲轴本身是金属物质，表面的金属会因为这种急剧的冷却降温，产生一些残余应力，最终会在曲轴进行工作的过程中与很多的作用力混合，会对曲轴造成不良的影响。

5结语

本文首先介绍了疲劳断裂的概念和基本特点，因为在对大型柴油机曲轴断裂失效研究的过程中发现，80%以上的断裂都是因为疲劳断裂，后续本文介绍的三种断裂原因也都是因为疲劳断裂。然后分别介绍了在原材料方面、热加工方面和機械加工方面出现的一些问题，这些问题导致曲轴发生了变化，最终导致了断裂失效，对于这三个方面应当进行相应的改进，能够避免这种情况的再次发生。

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作者简介：

杨世超/男/1993年生/辽宁彰武人/本科/研究方向为工程机械