分享：某汽车发动机连杆断裂原因

机械零部件多断口的断裂原因分析过程比较复杂，需要对碎块上所有的断口进行分析，并结合工况、受力等因素综合分析，因此，应正确判断首断断口或者主断裂源的位置。例如，将变形最大的断口认为是首断断口，可能会将原材料缺陷导致的断裂判断成过载导致的断裂。 

某汽车零部件厂C70S6钢轿车用发动机连杆在厂内测试期间发生断裂，断裂连杆不仅从杆身处折断，小头孔还碎裂成了多块，现场收集了全部碎片，对碎片进行分析，以确定连杆断裂的原因。连杆是汽车发动机的重要组成部件，使用过程中，连杆在高速往复动作下，受到压缩、拉伸等交变载荷作用。连杆出现破坏，会直接导致发动机停止工作，造成严重的事故。一般而言，连杆的断裂模式有两种，一种是连杆螺栓断裂[1-2]，另一种是连杆杆身断裂[3-6]。该断裂连杆按照JB/T 11795—2014《内燃机胀断连杆技术条件》要求进行制造，其加工工艺为：棒材截短→加热→模锻→加工两端面→加工小头孔→加工大头孔→大头孔涨断→检查。笔者采用一系列理化检验方法对该连杆的断裂原因进行分析，以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

断裂连杆的宏观形貌如图1所示。由图1可知：连杆上有两处破坏，一处位于在小头孔部位，小头孔位置裂成4块，分别编号为A、B、C和D，另一处位于连杆的杆部中间，该位置有明显的缩颈现象，可以判断连杆部位是因过载造成的断裂，连杆杆部不是首断位置。此外，连杆是活塞和曲轴之间传递力的构件，在连杆轴线上承受单向拉-压应力作用。正常的运动过程中，连杆杆身部位只受到轴线上的拉-压应力作用。这种情况下，连杆部位开裂所需的应力只能来源于不在轴线方向上的外加载荷。综合上翼缘板受到的不均匀塑形变形和受力状态进行分析，也可以判断连杆杆部的断裂时间晚于小头孔。 

图  1  断裂连杆的宏观形貌

试样A内表面有一半区域存在均匀的擦伤痕迹（见图2），该位置与连杆中轴线对应的部位重合，说明该位置受到较大的摩擦挤压作用，摩擦时孔附近的内表面和铜衬垫处于部分接触状态，可判断该位置不是首断位置。试样B和D均存在严重的塑形变形[见图1（b）]，试样B向内表面弯曲，试样D向外表面弯曲，说明试样B和D都不是首次断裂件。试样C断口的宏观形貌如图3所示。由图3可知：试样C断面无缩颈现象，呈脆性断裂形貌，因此初步判断试样C是首次断裂件。 

图  2  试样A内表面磨损痕迹的宏观形貌

图  3  试样C断口宏观形貌

1.2   扫描电镜（SEM）及能谱分析

将试样C进行超声清洗后，采用扫描电镜观察其断口，结果如图4所示。由图4可知：断裂源区较为平坦，有氧化层覆盖，未覆盖氧化层的局部区域呈解理断口特征；撕裂棱线收敛于外壁皮层的夹杂物聚集区（断裂源位置），起裂裂纹沿外壁皮层的夹杂物分布带扩展。 

图  4  试样C断口SEM形貌

对夹杂物进行能谱分析，分析位置如图4（b）所示，分析结果如表1所示。由表1可知：夹杂物含有Na、Al、Si、S、Cl、K、Ca等杂质元素。 

1.3   金相检验

在试样C断口附近及远离断口处取样，对试样进行金相检验，结果如图5所示。由图5可知：断口附近试样的组织为珠光体+少量短条铁素体，断裂源附近存在树枝状裂纹，裂纹内部填充有大量灰白色的氧化铁，裂纹附近的组织中存在大量网状铁素体，裂纹两侧的铁素体区域还可见少量氧化质点，说明该部位经过了长期的高温氧化过程，基体中的易氧化元素都已被氧化；远离断口处试样的组织为珠光体+少量短条状铁素体，铁素体体积分数为4.3%。满足JB/T 11795—2014的标准要求（无网状铁素体和铁素体体积分数不大于10%）。 

图  5  试样C断口附近和远离断口处显微组织形貌

1.4   化学成分分析

按照GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法（常规法）》，采用直读光谱仪对断裂连杆进行化学成分分析，结果如表2所示。由表2可知：试样的化学成分满足JB/T 11795—2014对C70S6钢的标准要求。 

1.5   硬度测试

按照GB/T 231.1—2018《金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法》，采用数显布氏硬度计对断裂连杆基体试样进行布氏硬度测试，结果为295.1，294.6，297.5 HBW，符合JB/T 11795—2014的标准要求（250~320 HBW）。 

2.   综合分析

在机械零件断裂事故中，先断裂的断口机械损伤和塑性变形小。当脆性断口和塑性断口同时存在时，表明机械结构已经失稳，导致零件发生过载断裂[7]。 

分析试样A、B、C和D的变形情况，可知试样C和D之间的断口为首断断口，该处位置位于试样C上的断口几乎没有塑性变形，断裂源在外表面皮下的夹杂物位置形核。试样C和D裂开后，小头孔内部的铜衬垫一侧受力，另一侧不受力，产生了滑动摩擦。试样A内壁上仅有一半的摩擦痕迹，导致小头孔发生碎裂，连杆杆身部位与发动机壳体产生碰撞，最终导致连杆杆身断裂。连杆杆身存在严重的颈缩现象，因此可以判断在小头孔碎裂后，连杆失稳导致应力过大，最终造成连杆杆身发生过载断裂。 

试样C断口附近有树枝状裂纹，裂纹内部填充有大量的氧化铁，扩展裂纹附近可见严重的氧化脱碳现象。综合工艺分析，棒料的料头部分存在表面缺陷，在模锻之前的加热保温工艺过程中，这些缺陷经过了长时间的高温作用，导致缺陷向基体内部扩展[8-9]。缺陷含有保护渣中的K和Ca等元素。 

钢厂连铸阶段所用的保护渣残留[10]导致连杆小头孔先发生断裂，在长时间高温条件下，裂纹不断扩展，并发生氧化脱碳，造成小头孔承载力不足，最终导致连杆杆身发生过载断裂。 

3.   结论

钢厂连铸阶段的保护渣残留在棒料表面，导致连杆小头孔外表面皮层萌生微裂纹，发动机启动造成连杆传递的应力变大，小头端内圆侧与活塞轴的接触面压力突然增大，最终导致连杆杆身发生过载断裂。

文章来源——材料与测试网