曲轴开裂原因

吕 渊

(上海材料研究所,上海 200437)

某曲轴在服役过程中发生开裂现象,笔者采用宏观观察、化学成分分析、力学性能测试、微观分析等方法对某开裂曲轴进行分析,以防止该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

曲轴宏观形貌如图1所示。由图1可知:其中一节轴表面存在裂纹。

图1 曲轴宏观形貌

截取的开裂处试样宏观形貌如图2所示。由图2可知:曲轴表面存在明显的环向磨损痕迹,部分区域发黑[见图2a)],分析认为该区域是由摩擦高温导致的;裂纹面整体较为洁净,未见异物覆盖,裂纹面上可见疲劳条带,呈疲劳断裂的宏观形貌特征,疲劳条带的收敛位置为裂纹源区,说明裂纹起源于曲轴表面。

图2 截取的开裂处试样宏观形貌

1.2 化学成分分析

在曲轴基体处取样,并对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。

表1 曲轴的化学成分分析结果 %

1.3 力学性能测试

在曲轴基体1/2半径位置截取纵向拉伸试样、冲击试样和硬度试样,并对试样进行测试,结果如表2所示。

表2 曲轴的力学性能测试结果

1.4 微观分析

在断口上截取试样,将试样清洗后,对试样进行扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析,结果如图3所示。由图3可知:裂纹源区铜、锡、铅等杂质元素含量较高;裂纹扩展区可见大致平行的二次裂纹,呈疲劳断裂的微观形貌特征。

图3 断口SEM 形貌及能谱分析结果

截取裂纹源区的剖面,制备金相试样,将试样镶嵌、磨抛后,置于光学显微镜上观察,结果如图4所示。由图4可知:裂纹源区覆盖着一层其他物质;主裂纹附近表面可见较多与主裂纹平行的微裂纹,放大观察可见裂纹内有铜黄色物质填充。

图4 裂纹源区微观形貌

对剖面金相试样进行能谱分析,结果如图5所示。由图5可知:主裂纹面上的覆盖物与微裂纹内的填充物成分均为较高含量的铜、锡、铅元素中的一种或者几种,分析认为这些物质来源于与曲轴开裂位置配合的铜合金轴瓦。

图5 金相试样抛光态SEM 形貌与能谱分析结果

将剖面金相试样用化学试剂腐蚀,再将其置于光学显微镜下观察,结果如图6所示。由图6可知:试样表面和心部显微组织均为回火索氏体。

图6 金相试样显微组织形貌

1.5 显微硬度测试

采用2.942 N试验力对试样表面与心部进行维氏硬度测试,表面硬度分别为385,380,384 HV,相当于40.3,39.9,40.3 HRC;心部硬度分别为266,273,275 HV,相当于27.9,28.0,28.3 HRC。由硬度测试结果可知,心部硬度符合正常回火索氏体的硬度,表面的硬度偏高。

2 综合分析

(1) 人工打开的裂纹面经清洗后整体较为洁净,未见异物覆盖,裂纹面可见疲劳条带,呈疲劳断裂的宏观形貌特征,疲劳条带的收敛位置为裂纹源区,说明裂纹起源于曲轴表面[1]。

(2) 裂纹源区的能谱分析结果表明:裂纹源区有较高含量的铜、锡、铅等杂质元素;裂纹的扩展方式为疲劳扩展。

(3) 主裂纹的裂纹源区覆盖有铜黄色物质层,附近表面可见较多与主裂纹平行的微裂纹,微裂纹附近存在疏松状的孔洞,这些微裂纹与孔洞内均可见铜黄色物质,经能谱分析可知该物质中含有铜、锡、铅中的一种或者几种元素,并且含量较高;腐蚀后金相试样表面与心部组织存在明显区别,经显微硬度测试可知表面硬度偏高。

(4) 综合分析认为,曲轴在使用过程中发生润滑不良,导致其与铜合金轴瓦之间发生摩擦现象,摩擦产生的高温使曲轴表面发生相变,导致硬度升高。由于铜的熔点较低,铜板局部熔化,液相铜沿着奥氏体晶界向曲轴基体内渗透[2],在曲轴表面形成较多填充有铜合金组成物的微裂纹,随后这些微裂纹在曲轴继续运转的工作应力作用下以疲劳方式扩展,导致曲轴开裂。

3 结论与建议

(1) 曲轴与铜合金轴瓦之间的摩擦高温导致异种金属渗入,在曲轴表面形成较多填充有铜合金组成物的微裂纹,随后这些微裂纹在曲轴继续运转的工作应力作用下以疲劳方式扩展,导致曲轴开裂。

(2) 加强对曲轴润滑情况的监测,以避免曲轴在润滑不良的情况下继续运作。