分享：柴油發動機曲軸的常見失效模式
摘 要:使用掃描電鏡、能譜分析儀、X射線衍射儀、光學顯微鏡、顯微硬度計、拉伸試驗機和直 讀光譜儀等設備對失效曲軸進行了研究。分析了結構設計不當、原材料缺陷、裝配不當、使用不當 等因素導致曲軸失效的案例,并提出了改進建議;闡述了相關零部件與曲軸失效之間的關系。結果 表明:應從設計、材料、熱處理、機械加工、轉運、裝配、相關聯接件、使用過程及服役環境等諸多方面 對曲軸的失效進行排查并著手改進。
關鍵詞:曲軸;過熱;疲勞;應力集中;失效模式
中圖分類號:TG115.21 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2023)06-0073-05
曲軸在發動機中長期受到周期性的彎曲、扭轉 和振動等復雜載荷的作用,極易出現扭轉和彎曲變 形,甚至產生裂紋和發生斷裂[1-2]。曲軸的圓角等過 渡區往往是應力集中處[3]。目前,普遍采用感應淬 火、氣體氮化、圓角滾壓、噴丸處理和激光沖擊強化 等方法對曲軸圓角等危險區域進行強化[4]。曲軸的 材料 主 要 有 40Cr、35CrMo、42CrMo 等 調 質 鋼, 38MnVS6、48MnV、C38N2、SAE1548 等 非 調 質 鋼[5-6]。近年來,球墨鑄鐵具有成本低、消耗能源少、 生產工藝簡單等優勢,逐漸成為以鐵代鋼的新材料, 主要有 QT700-2、QT800-3等。如果在結構設計、 材料設計、鑄造和鍛造成型、強化工藝、機械加工、裝 配、使用等環節中出現問題,曲軸均可能失效。筆者 結合近年來各種實際曲軸故障案例,從結構設計、材 料缺陷、裝配因素、使用等方面分析和研究了柴油發 動機曲軸的常見失效模式。
1 分析方法
使用能譜儀、直讀光譜儀分析曲軸的化學成分; 使用維氏和布氏硬度計、拉伸試驗機、輪廓儀等檢驗 材料的力學性能及圓角加工質量;使用掃描電鏡 (SEM)、光學顯微鏡觀察斷口及其顯微組織形貌, 使用 X射線衍射儀、電解拋光儀測量曲軸的殘余應 力及梯度。
2 失效曲軸的案例分析
2.1 案例1(設計因素)
某調質鋼曲軸在臺架試驗中運行780h后發生 斷裂,斷裂位置為第1曲柄銷前端下止點圓角處(見 圖1)。裂紋源區有輕微磨損,斷面有明顯的疲勞擴 展痕跡,瞬斷區面積較小。
2.1.1 圓角輪廓與殘余應力檢驗
該曲軸圓角沉割槽尺寸如圖2a)所示,符合圖 紙要求。使用體視顯微鏡觀察斷裂圓角輪廓,未見 缺陷,其外觀如圖2b)所示。殘余應力檢測結果分 別為-477.5,-482.1MPa,表明兩側圓角滾壓效果 均較好。
2.1.2 金相檢驗及低倍檢驗
源區附近組織為2級回火索氏體(要求為1~4 級),源區附近顯微組織與鍛造流線如圖3所示。使用 鹽酸分別對曲柄銷與主軸頸進行酸蝕,低倍檢驗結果 顯示曲柄銷與主軸頸鍛造流線分布合理,圓角處的切 應力與流線方向垂直,沒有紊流、折疊,露頭等缺陷[7]。
2.1.3 原因分析與結構改進
根據低應力高周疲勞斷裂的特征,判斷曲軸的 疲勞強度不足。曲軸的材料和工藝滿足設計要求, 考慮對其結構進行改進。通常,曲軸的主軸頸曲柄 銷的過渡圓角處和曲柄銷至曲柄壁的過渡圓角處是 應力集中危險區,影響因素主要有過渡圓角半徑、曲 軸的重疊度和曲柄厚度等[8]。增加曲柄厚度可以使 過渡圓角處比較平滑,應力分布均勻,從而改善曲軸 的應力狀況[9]。增加曲柄銷凸臺直徑可以增大曲軸 的重疊度。增大過渡圓角半徑可以有效降低圓角處 的應力集中程度[10-12]。
分別保持其他因子不變,逐漸改變并優化曲柄 厚度、曲軸的重疊度和過渡圓角半徑,將這3個物理 量進行模擬計算,結果顯示優化上述3個物理量對 降低應力的效果依次遞增。圖4為最終選定的降低 圓角應力集中效果最佳的結構,曲柄銷圓角半徑由 1.45mm增至1.8mm,圓角側面凹進量由0.2mm 增至0.5mm。用諧振式疲勞試驗裝置驗證改進曲 柄極限彎矩為1394N·m,比原結構提高了14.3%, 再次試驗通過。
2.2 案例2(原材料缺陷)
某非調質鋼曲軸在行駛中運行269h后發生失 效,其主要加工工藝為:鍛造→控冷→表面淬火→機 械加工。其斷口宏觀形貌如圖5所示,可見該斷裂 模式為扭轉斷裂,裂紋源區為第4曲柄銷內部基體 缺陷處,該處銹蝕嚴重。
2.2.1 金相檢驗及掃描電鏡分析
在裂紋源區截取試樣,將其在體積分數為2% 的硝酸乙醇溶液中腐蝕后,置于光學顯微鏡下觀察, 發現多處D類夾雜物,裂紋兩側可見明顯的脫碳, 鐵素體含量高,珠光體含量較少[見圖6a)],而原始 組織應為珠光體+網狀鐵素體。使用場發射掃描電 鏡觀察斷面缺陷,發現該處為過燒組織[見圖6b)]。
2.2.2 能譜分析
對裂紋源附近銹蝕區進行面掃描,能譜分析結果顯示該處成分主要為含Fe元素的氧化物。結合 金相檢驗、掃描電鏡分析結果可知,缺陷為鍛造折 疊。折疊會減少零件的承載面積,該處容易形成應 力集中,成為疲勞源[13]。
2.3 案例3(裝配因素)
某曲軸的第1曲柄銷下止點圓角處發生斷裂。 在發動機拆解的過程中,發現第2主軸承螺栓斷裂, 第2主軸承缸蓋接觸面出現磨損(見圖8),曲軸各 軸頸無明顯拉傷。經檢驗,曲軸的化學成分、組織、 性能均合格。因曲軸斷裂的同時還伴有第2主軸承 螺栓斷裂,缸體與第2主軸承瓦蓋的螺栓斷裂一側 結合面發生嚴重磨損,可以推斷主軸承蓋結合面發 生過較長時間的相互摩擦,即主軸承蓋結合面之間 產生了相對位移。內燃機裝配節點間的構件產生微 小位移是該節點被破壞的標志[14]。結合螺栓、曲軸 斷裂分析可知,該處結合面的螺栓出現松動。
綜合發動機現場拆解、失效件的理化檢驗結果 判斷,主軸承螺栓的擰緊力矩不足導致發動機長時 間運行后出現松動,缸體與主軸承蓋的結合面發生 磨損,造成曲軸受力異常,出現疲勞斷裂。裝配擰緊 的實質是將螺栓的軸向預緊力控制在適當范圍。該 發動機的扭矩法擰緊工藝是通過控制擰緊力矩T 間接控制螺栓預緊力F 的,具體如式(1)所示。
式中:K 為扭矩系數;D 為螺栓公稱直徑。
因K 受到諸多因素的影響,其值通常為0.1~ 0.3 [15],導致螺栓的預緊力變化范圍較大。如果螺 栓預緊力達不到規定的要求,被聯接件之間受載后 會出現縫隙或者發生相對滑移,造成聯接件松動,甚 至使整機損壞[16]。目前,較先進的擰緊方式是扭 矩-轉角法,其實質是控制螺栓的伸長量。研究表 明,在不大于螺栓屈服極限80%的情況下[17],螺栓 的軸向預緊力越大,其抗松動和抗疲勞性能越好,螺 栓擰緊至屈服時效果越好。對于發動機連桿螺栓、 缸蓋螺栓、主軸承螺栓等重要應用場合,應盡可能采用扭矩-轉角法將螺栓擰緊至屈服極限。
2.4 案例4(使用因素)
某調質鋼曲軸在運行約2×105km后發生彎扭 復合斷裂,第4主軸承軸頸已磨損燒傷至黑色(見圖 9)。裂紋源區位于第4主軸軸頸,斷面有明顯的疲 勞擴展痕跡。
2.4.1 掃描電鏡分析
用掃描電鏡對軸頸裂紋源區進行觀察,裂紋源 區出現4.2mm×2.2mm(長×寬)的嚴重磨損區, 源區放大后未見缺陷及異常,擴展區可見清晰的疲 勞條紋。
2.4.2 淬火層顯微硬度測試
對失效及正常軸頸進行淬火層硬度測試,結果 顯示失效軸頸表面硬度為56HRC,正常軸頸表面 硬度為52HRC,這是因為失效軸頸經歷二次淬火 過程,導致軸頸表面二次硬化。
2.4.3 金相檢驗
截取裂紋源處試樣,將其置于光學顯微鏡下觀 察,發現裂紋源處為淬火區,軸頸表面可見二次淬火 組織,淬火區正常位置的組織為均勻一致的6級淬 火馬氏體(見圖11)。
2.4.4 原因分析
該曲軸裂紋源區無明顯缺陷,燒蝕軸頸表面硬 度的異常升高以及燒蝕軸頸表面異常組織的出現均 是軸頸嚴重燒傷導致的。第4主軸頸嚴重燒傷導致 軸頸表面溫度急劇升高,降低了軸頸表面的強度,同 時,曲軸也受到了較大的垂直軸向作用力,從而導致 斷裂。該類斷裂失效與用戶的維護保養、長期的使 用習慣以及突發惡劣路況等因素密切相關。
3 結語
發動機曲軸的失效原因涉及設計、材料、熱處 理、機械加工、轉運、裝配、相關聯接件、使用及服役 環境等多個方面,這些因素相互影響、相互作用,使 得分析過程復雜,因此需要收集盡可能多的信息,借 助各種理化檢驗方法,使用多種分析軟件及試驗方 法對失效原因進行分析。曲軸的失效往往會造成其 他相關零部件的損壞,同時其他零部件的變化或損 壞也會帶來曲軸的失效。實際分析時,應對現場進 行詳細地調查,準確判定相關零部件的損壞順序, 收集零件從設計、生產,再到使用的整個生命周期的 信息,才能找出故障發生的根本原因,并提出相應的 改進措施。
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<文章來源 > 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 6期 (pp:73-77)>
浙公網安備 33042402000106號
