分享：柴油发动机曲轴的常见失效模式

摘 要:使用扫描电镜、能谱分析仪、X射线衍射仪、光学显微镜、显微硬度计、拉伸试验机和直 读光谱仪等设备对失效曲轴进行了研究。分析了结构设计不当、原材料缺陷、装配不当、使用不当 等因素导致曲轴失效的案例,并提出了改进建议;阐述了相关零部件与曲轴失效之间的关系。结果 表明:应从设计、材料、热处理、机械加工、转运、装配、相关联接件、使用过程及服役环境等诸多方面 对曲轴的失效进行排查并着手改进。

关键词:曲轴;过热;疲劳;应力集中;失效模式

中图分类号:TG115.21 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2023)06-0073-05

曲轴在发动机中长期受到周期性的弯曲、扭转 和振动等复杂载荷的作用,极易出现扭转和弯曲变 形,甚至产生裂纹和发生断裂[1-2]。曲轴的圆角等过 渡区往往是应力集中处[3]。目前,普遍采用感应淬 火、气体氮化、圆角滚压、喷丸处理和激光冲击强化 等方法对曲轴圆角等危险区域进行强化[4]。曲轴的 材料 主 要 有 40Cr、35CrMo、42CrMo 等 调 质 钢, 38MnVS6、48MnV、C38N2、SAE1548 等 非 调 质 钢[5-6]。近年来,球墨铸铁具有成本低、消耗能源少、 生产工艺简单等优势,逐渐成为以铁代钢的新材料, 主要有 QT700-2、QT800-3等。如果在结构设计、 材料设计、铸造和锻造成型、强化工艺、机械加工、装 配、使用等环节中出现问题,曲轴均可能失效。笔者 结合近年来各种实际曲轴故障案例,从结构设计、材 料缺陷、装配因素、使用等方面分析和研究了柴油发 动机曲轴的常见失效模式。

1 分析方法

使用能谱仪、直读光谱仪分析曲轴的化学成分; 使用维氏和布氏硬度计、拉伸试验机、轮廓仪等检验 材料的力学性能及圆角加工质量;使用扫描电镜 (SEM)、光学显微镜观察断口及其显微组织形貌, 使用 X射线衍射仪、电解抛光仪测量曲轴的残余应 力及梯度。

2 失效曲轴的案例分析

2.1 案例1(设计因素)

某调质钢曲轴在台架试验中运行780h后发生 断裂,断裂位置为第1曲柄销前端下止点圆角处(见 图1)。裂纹源区有轻微磨损,断面有明显的疲劳扩 展痕迹,瞬断区面积较小。

2.1.1 圆角轮廓与残余应力检验

该曲轴圆角沉割槽尺寸如图2a)所示,符合图 纸要求。使用体视显微镜观察断裂圆角轮廓,未见 缺陷,其外观如图2b)所示。残余应力检测结果分 别为-477.5,-482.1MPa,表明两侧圆角滚压效果 均较好。

2.1.2 金相检验及低倍检验

源区附近组织为2级回火索氏体(要求为1~4 级),源区附近显微组织与锻造流线如图3所示。使用 盐酸分别对曲柄销与主轴颈进行酸蚀,低倍检验结果 显示曲柄销与主轴颈锻造流线分布合理,圆角处的切 应力与流线方向垂直,没有紊流、折叠,露头等缺陷[7]。

2.1.3 原因分析与结构改进

根据低应力高周疲劳断裂的特征,判断曲轴的 疲劳强度不足。曲轴的材料和工艺满足设计要求, 考虑对其结构进行改进。通常,曲轴的主轴颈曲柄 销的过渡圆角处和曲柄销至曲柄壁的过渡圆角处是 应力集中危险区,影响因素主要有过渡圆角半径、曲 轴的重叠度和曲柄厚度等[8]。增加曲柄厚度可以使 过渡圆角处比较平滑,应力分布均匀,从而改善曲轴 的应力状况[9]。增加曲柄销凸台直径可以增大曲轴 的重叠度。增大过渡圆角半径可以有效降低圆角处 的应力集中程度[10-12]。

分别保持其他因子不变,逐渐改变并优化曲柄 厚度、曲轴的重叠度和过渡圆角半径,将这3个物理 量进行模拟计算,结果显示优化上述3个物理量对 降低应力的效果依次递增。图4为最终选定的降低 圆角应力集中效果最佳的结构,曲柄销圆角半径由 1.45mm增至1.8mm,圆角侧面凹进量由0.2mm 增至0.5mm。用谐振式疲劳试验装置验证改进曲 柄极限弯矩为1394N·m,比原结构提高了14.3%, 再次试验通过。

2.2 案例2(原材料缺陷)

某非调质钢曲轴在行驶中运行269h后发生失 效,其主要加工工艺为:锻造→控冷→表面淬火→机 械加工。其断口宏观形貌如图5所示,可见该断裂 模式为扭转断裂,裂纹源区为第4曲柄销内部基体 缺陷处,该处锈蚀严重。

2.2.1 金相检验及扫描电镜分析

在裂纹源区截取试样,将其在体积分数为2% 的硝酸乙醇溶液中腐蚀后,置于光学显微镜下观察, 发现多处D类夹杂物,裂纹两侧可见明显的脱碳, 铁素体含量高,珠光体含量较少[见图6a)],而原始 组织应为珠光体+网状铁素体。使用场发射扫描电 镜观察断面缺陷,发现该处为过烧组织[见图6b)]。

2.2.2 能谱分析

对裂纹源附近锈蚀区进行面扫描,能谱分析结果显示该处成分主要为含Fe元素的氧化物。结合 金相检验、扫描电镜分析结果可知,缺陷为锻造折 叠。折叠会减少零件的承载面积,该处容易形成应 力集中,成为疲劳源[13]。

2.3 案例3(装配因素)

某曲轴的第1曲柄销下止点圆角处发生断裂。 在发动机拆解的过程中,发现第2主轴承螺栓断裂, 第2主轴承缸盖接触面出现磨损(见图8),曲轴各 轴颈无明显拉伤。经检验,曲轴的化学成分、组织、 性能均合格。因曲轴断裂的同时还伴有第2主轴承 螺栓断裂,缸体与第2主轴承瓦盖的螺栓断裂一侧 结合面发生严重磨损,可以推断主轴承盖结合面发 生过较长时间的相互摩擦,即主轴承盖结合面之间 产生了相对位移。内燃机装配节点间的构件产生微 小位移是该节点被破坏的标志[14]。结合螺栓、曲轴 断裂分析可知,该处结合面的螺栓出现松动。

综合发动机现场拆解、失效件的理化检验结果 判断,主轴承螺栓的拧紧力矩不足导致发动机长时 间运行后出现松动,缸体与主轴承盖的结合面发生 磨损,造成曲轴受力异常,出现疲劳断裂。装配拧紧 的实质是将螺栓的轴向预紧力控制在适当范围。该 发动机的扭矩法拧紧工艺是通过控制拧紧力矩T 间接控制螺栓预紧力F 的,具体如式(1)所示。

式中:K 为扭矩系数;D 为螺栓公称直径。

因K 受到诸多因素的影响,其值通常为0.1~ 0.3 [15],导致螺栓的预紧力变化范围较大。如果螺 栓预紧力达不到规定的要求,被联接件之间受载后 会出现缝隙或者发生相对滑移,造成联接件松动,甚 至使整机损坏[16]。目前,较先进的拧紧方式是扭 矩-转角法,其实质是控制螺栓的伸长量。研究表 明,在不大于螺栓屈服极限80%的情况下[17],螺栓 的轴向预紧力越大,其抗松动和抗疲劳性能越好,螺 栓拧紧至屈服时效果越好。对于发动机连杆螺栓、 缸盖螺栓、主轴承螺栓等重要应用场合,应尽可能采用扭矩-转角法将螺栓拧紧至屈服极限。

2.4 案例4(使用因素)

某调质钢曲轴在运行约2×105km后发生弯扭 复合断裂,第4主轴承轴颈已磨损烧伤至黑色(见图 9)。裂纹源区位于第4主轴轴颈,断面有明显的疲 劳扩展痕迹。

2.4.1 扫描电镜分析

用扫描电镜对轴颈裂纹源区进行观察,裂纹源 区出现4.2mm×2.2mm(长×宽)的严重磨损区, 源区放大后未见缺陷及异常,扩展区可见清晰的疲 劳条纹。

2.4.2 淬火层显微硬度测试

对失效及正常轴颈进行淬火层硬度测试,结果 显示失效轴颈表面硬度为56HRC,正常轴颈表面 硬度为52HRC,这是因为失效轴颈经历二次淬火 过程,导致轴颈表面二次硬化。

2.4.3 金相检验

截取裂纹源处试样,将其置于光学显微镜下观 察,发现裂纹源处为淬火区,轴颈表面可见二次淬火 组织,淬火区正常位置的组织为均匀一致的6级淬 火马氏体(见图11)。

2.4.4 原因分析

该曲轴裂纹源区无明显缺陷,烧蚀轴颈表面硬 度的异常升高以及烧蚀轴颈表面异常组织的出现均 是轴颈严重烧伤导致的。第4主轴颈严重烧伤导致 轴颈表面温度急剧升高,降低了轴颈表面的强度,同 时,曲轴也受到了较大的垂直轴向作用力,从而导致 断裂。该类断裂失效与用户的维护保养、长期的使 用习惯以及突发恶劣路况等因素密切相关。

3 结语

发动机曲轴的失效原因涉及设计、材料、热处 理、机械加工、转运、装配、相关联接件、使用及服役 环境等多个方面,这些因素相互影响、相互作用,使 得分析过程复杂,因此需要收集尽可能多的信息,借 助各种理化检验方法,使用多种分析软件及试验方 法对失效原因进行分析。曲轴的失效往往会造成其 他相关零部件的损坏,同时其他零部件的变化或损 坏也会带来曲轴的失效。实际分析时,应对现场进 行详细地调查,准确判定相关零部件的损坏顺序, 收集零件从设计、生产,再到使用的整个生命周期的 信息,才能找出故障发生的根本原因,并提出相应的 改进措施。

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<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 6期 (pp:73-77)>