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發動機曲柄斷裂失效-熱處理案例分析

近期接到我公司一新品型號發動機臺架試驗曲柄斷裂失效件,對此斷裂曲柄進行了相關檢驗與分析,具體情況如下。


1. 零件描述
斷裂曲柄如圖1所示,斷裂曲柄總成為兩個曲柄連接而成,帶有連桿,曲柄桿部都帶有軸承,斷裂部位在其中一軸承外側根部,斷裂處有一約φ3.5mm鉆孔。宏觀觀察,斷口有摩擦痕跡,已無法清晰觀察斷口形貌,圖2為圖1a斷裂端的局部形態。

(a)失效曲柄總成

(b)斷裂部分

圖1  斷裂件位置


2. 檢驗結果
根據曲柄斷裂情況,在圖2中所示的斷口部位切取試樣1,斷裂另一部分切取試樣2進行斷口分析、材料成分、金相及硬度檢驗。

圖2  失效曲柄總成斷裂端宏觀形貌


(1)試樣1斷口分析
在斷頭處有一鉆孔,直徑約3.5mm,車痕較粗慥,如圖3a、3b所示。在顯微鏡下觀察斷口,鉆孔底部和曲柄的內孔之間有一厚度約為1mm的臺階,如圖3c所示。

(a)

(b)

(c)

圖3  試樣1斷口


(2)材料化學成分
曲柄材料要求為45鋼,經光譜分析其化學成分如表1所示,符合標準要求。

表1 曲柄化學成分(質量分數)  (%)


(3)試樣金相分析
將試樣2拋光后經2%硝酸酒精腐蝕后觀察,如圖4a所示。試樣周邊有一寬度為0.13mm的淬火層,如圖4b所示。內孔附近組織為回火索氏體+斷續網狀鐵素體,晶粒度為7級,硬度為22.4HRC,如圖4c所示。

(a)

(b) 

 (c)

圖4  試樣2金相


將試樣1研磨拋光后觀察,試樣周邊沒有感應淬火層,如圖5a所示。試樣1與試樣2內部組織均為組織為回火索氏體+斷續網狀鐵素體,晶粒度為7級,如圖5b所示。

(a) 

(b)

圖5  試樣外觀及內部金相組織


3. 斷裂狀態分析
通過分析,斷口雖然有破壞,但仍然可以大致判斷裂紋走向。鉆孔底部應為裂紋源發生部位,裂紋由此產生,并向內孔拓展貫通后再向周邊發展。先期形成裂紋斷面為大致平行軸向,后受工件回轉扭力影響裂紋轉向垂直軸向方向發展,在裂紋起始位置形成臺階。后裂紋持續發展到達軸外表面后進展速度不斷加快,直至在鉆孔位置對面發生瞬時斷裂。依據瞬時斷裂面積較小這一特征,綜合判斷此裂紋為低載高周疲勞斷裂。斷裂后工件兩斷面還維持了一定時間的相對運動,造成斷裂面磨蹭痕跡。

4. 結論及對策
該曲柄材料為45鋼,生產工序為:下料→鍛造→調質→機加工→感應淬火→磨削→裝配。根據工藝路線分析造成曲柄斷裂的主要原因有以下幾個方面:

(1)機加工鉆孔底部刀痕粗糙,造成應力集中,是產生裂紋的主要原因。

(2)工件內部組織存在斷續網狀鐵素體,造成工件強度下降,使裂紋能夠得以拓展。

(3)斷口處于工件感應淬火帶邊緣部位,表面未得到有效強化。

針對以上原因提出改進意見:
①φ3.5mm孔為油泵輪定位銷孔,考慮小孔徑鉆孔粗糙度難以控制,建議將此銷孔取消,油泵輪改為過盈壓裝定位,同時還避免了鉆孔對軸截面有效承載面積造成的損失,可提高軸整體強度。
②控制調質工序淬火條件,提高工件淬火冷卻速度,避免延晶界網狀鐵素體析出問題出現。
③加寬工件感應淬火位置帶,延伸至軸承壓裝位置,有效提高工件疲勞強度。

作者:劉雪冰、白強偉、張國卿

單位:洛陽北方易初摩托車有限公司發動機制造部

來源:《金屬加工(熱加工)》雜志

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