柴油机凸轮轴断裂失效分析

■ 张怀青，关慧欢，魏聪，刘国柱

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1.概述

某柴油机凸轮轴在中频感应淬火后的弯曲校直过程中，出现断裂现象，断裂部位在凸轮根部。随后抽查半成品凸轮轴进行着色显影试验，发现在凸轮基圆R处有明显的裂纹，如图1所示。该凸轮轴材料牌号是QT600-3，主要生产工艺流程：铸造(正火) →机加工→去应力退火→表面淬火→弯曲校直→回火→机加工等。

2.结果分析

（1）化学成分 采用OBLF直读光谱仪对断裂部位的化学成分进行分析，结果如附表所示，符合GB/T1348—2009标准。

（2）体视分析 在体视显微镜下观察凸轮轴的断口形貌，如图2a所示。可以看出断口平直、光亮，没有明显的宏观塑性变形，并且有3个区域，分别是表面a区颜色较暗，与中间b区有明显的分界线，里面c区颜色亮白，为新鲜断口；对凸轮根部加工区域放大观察，如图2b所示，发现有明显的疏松。进一步观察裂纹沿深度扩展的截面，裂纹曲折、刚劲有力、沿晶分布，如图3所示，可见断口属于脆性断裂。由此，初步判断为凸轮轴在铸造过程产生的原始缺陷。

图1 凸轮轴断裂及裂纹部位

凸轮轴化学成分（质量分数） （%）

图2 凸轮轴断口形貌

图3 凸轮轴裂纹形貌

图4 凸轮轴断口扫描电镜照片

（3）扫描电镜观察 采用配备有X射线能谱仪的Zeiss EVO18扫描电子显微镜观察凸轮轴断口形貌，如图4所示。图4a～c分别与图2中的区域位置相对应。从图4中可以看出，a、b区域表面已经被覆盖一层物质，经能谱分析为氧化物，且a区域的氧含量为28%，b区域氧含量为13.8%，c区域氧含量为11%（见图5）。说明a区域氧化较为严重，为去应力退火前产生的裂纹，b区域为在淬火过程中，裂纹继续扩展，后续回火加热，导致氧含量相对减少，c区域为新鲜断口，氧含量最小。a、b区域氧含量相差较大，是因为a区域经过去应力退火和回火两次加热，b区域只经过一次回火加热，且去应力退火加热温度高于回火温度。

（4）金相分析+硬度分析 对断口腐蚀、抛光，观察金相组织，如图6、图7所示。抛光态石墨，球化率良好；金相组织为极少量铁素体+珠光体+马氏体的混合组织。采用HR-150A型洛氏硬度计测试，凸轮表面硬度为53.5HRC，满足感应淬火48～55HRC的图样技术要求。

对凸轮轴心部基体腐蚀、抛光，观察金相组织，如图8所示。基体为珠光体+少量铁素体（＜5%）+球状石墨，石墨球化级别为2级。同时，可以看出，凸轮轴铸造后基体组织中的珠光体含量近95%，满足图样技术要求（珠光体含量≥75%）。但该珠光体是铸造后直接得到的，未经过正火处理，与图样要求不符。采用HB-3000型布氏硬度计测试三点心部硬度，分别为259HBW、263HBW、272HBW，满足图样220~290HBW的技术要求。

根据相关资料介绍，珠光体含量在90%以上时，可使疲劳强度下降，由于凸轮轴在搬运或加工过程中，受到碰撞，易产生微观裂纹；同时，凸轮轴本身结构中的凸轮基圆与主轴过渡圆角R较小，易产生应力集中；在机械加工过程中，由于组织应力和机加工应力的叠加，最终导致该处产生裂纹。

图5 凸轮轴断口能谱分析

图6 断口表面腐蚀态金相组织

图7 断口表面抛光态金相组织

图8 心部金相组织

3.结语

凸轮轴断裂原因为存在原始铸造缺陷，在加工过程中组织应力和机加工应力叠加，在凸轮根部应力变化较大的部位产生裂纹，中频感应淬火过程中裂纹继续扩展，导致表面颜色较暗区域分为两部分。在后续的弯曲校直过程中，凸轮轴受力进一步增大而断裂。