01.本文概述：

一辆皮卡汽车正常行驶过程中，发动机曲轴突然发生断裂。曲轴断裂时，累计行驶Km。

曲轴材料为42CrMoH钢，要求抗拉强度σb≥MPa，屈服强度σp0.2≥MPa，延伸率ψ≥45；断面收缩率δ≥12%。

曲轴主要加工工艺流程为：圆柱钢材-℃加热、锻造成型→在自动连续线上调质处理（整体淬火、-℃回火）→抛丸处理毛坯颈粗铣、精车、加工圆角槽→轴颈表面中频感应淬火→圆角滚压→轴颈磨削抛光下线。

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试验过程与结论

2.1外观检查

曲轴外观及断裂位置见图1，断裂位置在第1连杆颈R角（第1连杆颈与第2主轴颈间的扇板与第1连杆颈间的R角）。

扇板弧形厚度面上局部可见光亮摩擦损伤；

与断裂位置相对应的另一端的“城垛状”零件局部损伤变形明显。

??a.曲轴源区侧外观

??b.曲轴瞬断区侧外观

??图1曲轴外观及断裂位置

2.2磁粉检测

对曲轴表面进行磁粉检测，第2主轴颈R角和第2连杆颈R角均可见近似沿轴颈周向分布的裂纹，且第2主轴颈R角的裂纹长度大于第2连杆颈R角的裂纹长度，分别见图2和图3。

??图2曲轴第2主轴颈R角裂纹

??图3曲轴第2连杆颈R角裂纹

2.3R角尺寸测量

对曲轴断口源区及附近未断裂区的R角进行尺寸测量，结果见表1。

可见，曲轴源区R角的倒圆半径和R角最深处至轴颈表面的距离均位于标准要求的下限，未断裂区的R角的倒圆半径和R角最深处至轴颈表面的距离均位于标准要求的上限。

??表1曲轴断口区R角尺寸测量结（mm）

2.4R角残余应力测试

对曲轴断口源区及源区左右两侧未断裂区的R角位置，磁粉检测有裂纹的第2主轴颈R角裂纹位置及与裂纹位置相对应的轴颈另一端的R角，第2连杆颈R角裂纹位置及与裂纹位置相对应的连杆颈另一端的R角位置进行残余应力测试，结果见表2。

可见，曲轴R角滚压应力分布不均。

曲轴断裂R角源区的残余压应力比其附近完好R角区域的残余压应力略高，比第2主轴颈R角区域的残余压应力高，比第2连杆颈R角区域的残余压应力小。

??表1曲轴断口区R角尺寸测量结（mm）

2.5断口观察

2.5.1失效断口

失效曲轴断口外观见图4和图5，断口呈倾斜断面、由轴颈R角一侧沿与曲轴轴向成约45°的方向向轴颈另一侧扩展，源区附近的断面上可见两个光亮小刻面，源区附近R角表面可见两条沿轴颈周向分布的裂纹；

扩展区面积较大、已扩展至与源区相对应的轴颈另一侧的表面、疲劳弧线明显，瞬断区面积较小。

靠近断口侧的扇板可见光亮磨损形貌。

??a.连杆颈侧断口

??b.断口源区下方R角表面裂纹

??图4连杆颈侧断口

??图5扇板侧断口外观

将曲轴断口置于扫描电子显微镜下，进行断口形貌观察。

断口源区形貌见图6，裂纹源位于宏观下两个小光亮平面的边缘，源区磨损较重，呈线源特征，并可见由源区向外的台阶状放射棱线。

断口源区附近轴颈R角表面可见一定数量、大小不等的周向微裂纹，见图7。

裂纹扩展区可见明显的疲劳弧线和疲劳条带，见图8。

??a.源区低倍

??b.源区放大

??图6断口源区SEM形貌

??a.位置Ⅰ

??b.位置Ⅱ

??图7源区附近轴颈R角表面

??a.低倍??b.高倍

??图8裂纹扩展区疲劳弧线及条带形貌

2.5.2人为打开第2主轴颈裂纹断口

第2主轴颈裂纹截面形貌及人为打开后的断口宏观形貌见图9和图10，裂纹扩展方向与曲轴轴向约呈45°；

裂纹位置不是轴颈R角的最底部，而是R角靠近扇板侧区域；

裂纹断口较平坦，宏观呈条状。

??图9裂纹截面形貌

??图10第2主轴颈裂纹断口

将人为打开的第2主轴颈裂纹断口置于扫描电子显微镜下进行形貌检查。

断口源区及扩展区形貌见图11和图12，源区位于轴颈R角表面、线源，可见源区向外的放射棱线，扩展区可见条纹状形貌。

裂纹扩展区末端可见疲劳条带，人为打断区为韧窝形貌，见图13。

??图11断口源区Ⅰ及扩展区条纹状形貌

??图12断口源区Ⅱ边缘貌

??图13扩展区末端与人为打断区交界形貌

2.5.3人为打开第2连杆颈裂纹断口

第2连杆颈裂纹截面形貌及人为打开后断口宏观形貌见图14和图15，裂纹扩展方向与曲轴轴向约呈45°，裂纹位置不是轴颈R角的最底部，而是R角靠近扇板侧区域；裂纹断口较平坦，宏观呈条状。

??图14裂纹截面形貌

??图15第2连杆颈裂纹断口宏观

将人为打开的第2连杆颈裂纹断口置于扫描电子显微镜下进行形貌检查。

断口源区形貌见图16，源区位于轴颈R角表面、小线源，可见源区向外的放射棱线。

裂纹扩展区可见条纹状形貌及疲劳条带，见图17。

??图16第2连杆颈裂纹断口源区

??图17第2连杆颈裂纹扩展区条纹状及疲劳条带形貌

2.6金相组织检查

2.6.1失效断口位置金相

垂直于断口，沿曲轴轴向制取金相试样，腐蚀后进行金相组织观察，试样外观形貌见图18，可见淬火层下方轴颈组织带状特征明显，R角下方组织有轻微带状特征。

轴颈R角位置的组织形貌见图19，R角表面局部可见白亮层，厚度约为4μm，R角区域的组织为回火索氏体。

R角对应轴颈心部位置为回火索氏体+少量条块状铁素体，见图20。

淬火层深度（最深处）约为2.90mm，组织为马氏体，见图21。

淬火层对应轴颈心部组织分布不均匀、带状组织明显，为回火索氏体+块状铁素体，见图22。

??图18R角金相组织

??图19断口区R角区域金相形貌

??图20断口R角对应轴颈心部金相组织

??图21淬火层金相组织

??图22淬火层对应轴颈心部金相组织

2.6.2第2主轴颈裂纹处金相

垂直于第2主轴颈裂纹表面，制取裂纹截面金相试样，见图23。

宏观裂纹的附近还存在一条微观裂纹，两裂纹平行分布，均由第2主轴颈R角表面起始，沿大致与曲轴轴向约成45°的方向扩展，裂纹扩展中后期可见裂纹分叉；裂纹区的组织为回火索氏体，见图24。

在微观裂纹前方可见数条方向与宏微观裂纹方向近似一致的内部微裂纹，见图25。

R角对应轴颈心部位置有轻微带状组织、为回火索氏体+少量条块状铁素体，见图26。

淬火层深度（最深处）约为2.11mm，组织为马氏体，见图27。

??图23第2主轴颈裂纹截面金相

??图24第2主轴颈裂纹截面形貌

??图25第2主轴颈裂纹截面形貌

??图26第2主轴R角对应心部金相组织

??图27第2主轴淬火层金相组织

2.6.3第2连杆颈裂纹处金相

垂直于第2连杆颈裂纹表面，制取裂纹截面金相试样，裂纹由第2连杆颈R角表面起始，沿大致与曲轴轴向约成45°的方向扩展，见图28。

裂纹区的组织为回火索氏体，裂纹内可见条块状夹杂（由背散射图像可知，条块状物成分为与基体相同），见图29～图31。

??图5扇板侧断口外观

??图28第2连杆颈裂纹截面金相

??图29第2连杆颈裂纹前部截面形貌

??图30第2连杆颈裂纹中部截面形貌

??图31第2连杆颈裂纹末端截面形貌

2.7硬度测量

垂直于断口制取硬度试样，分别在轴颈R角表面附近，R角对应轴颈心部、淬火层及淬火层对应轴颈心部进行显微硬度检测，并根据GB/T-——《黑色金属硬度及强度换算值》换算为相应的布氏硬度或洛氏硬度，结果见表3。

可见轴颈R角表面附近的硬度约为.50HV、即HBS，R角对应轴颈心部的硬度约为.11HV、即HBS，淬火层的硬度约为.79HV、即55.3HRC，淬火层对应轴颈心部的硬度约为.75HV、即HBS。

曲轴基体组织硬度要求为-HB，轴颈淬火层硬度要求为52-58HRC，可见淬火层对应轴颈心部的硬度比技术要求的略低，R角部位对应轴颈的硬度满足技术要求；淬火层硬度满足技术要求。

??表3曲轴显微硬度测量结果（HV0.5）

2.8拉伸性能测试

在曲轴扇板上垂直于曲轴轴向制取拉伸试样，进行拉伸性能测试，结果见表4。

可见曲轴的抗拉强度、屈服强度满足技术要求。

??表4曲轴轴向拉伸性能

在曲轴扇板与两侧轴颈部位沿与曲轴轴颈成45°方向制取拉伸试样（使试样的最小段尽量位于R角部位），进行拉伸性能测试，结果见表5。

可见曲轴的抗拉强度、屈服强度满足技术要求，但均处于技术要求的下限。

??表5曲轴45°方向拉伸性能

2.9化学成分分析结果

在曲轴轴颈上制取试末，进行化学成分分析，结果见表6。

可见Mn元素的含量约为0.83%，比技术要求的上限0.80%略高，其余元素均在技术要求的范围之内。

??表6曲轴化学成分分析结果（wt.%）

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分析与讨论

3.1.1断裂性质分析

曲轴断口无明显宏观塑性变形，疲劳弧线明显，微观可见疲劳条带，这表明曲轴断裂的性质为疲劳断裂。

3.1.2断裂原因分析

曲轴断口源区位于轴颈R角表面，呈线源特征，源区可见两个光亮小刻面、有向外的台阶状放射棱线，源区下方可见沿轴颈周向的裂纹，这表明曲轴裂纹萌生应力较大。

断口裂纹扩展区面积较大，已扩展至与源区相对应的轴颈另一侧的表面，疲劳弧线和疲劳条带细密，这表明曲轴裂纹扩展应力较小。

磁粉检测结果表明，曲轴第2主轴颈R角和第2连杆颈R角与曲轴断裂R角位置相近的部位也可见较大的裂纹，这表明曲轴断裂过程中R角整体受力较大或轴颈R角部位存在容易引起裂纹的某种不足。

裂纹截面和断口宏观形貌的检查结果表明，第2主轴颈R角裂纹和第2连杆颈R角裂纹为大应力作用下、线性起源于R角表面的疲劳裂纹，扩展方向与曲轴断裂R角处的裂纹扩展方向相似。

而第2主轴颈R角宏观裂纹附近平行分布的微裂纹则表明曲轴第2主轴颈R角裂纹形成过程中受力较大；内部裂纹分布在微裂纹前方且与宏观裂纹平行分布，表明曲轴生产过程中在第2主轴颈R角部位形成了较大的内应力并引起了内部裂纹，该内应力可能由淬火不当引起。

第2连杆颈裂纹内存在与基体成分相同的条块物，表明裂纹是在制造过程中形成的。

以上分析表明，曲轴断裂过程中R角整体受力和裂纹起始应力较大，扩展应力较小；分析认为，该较大应力与曲轴轴颈R角部位可能存在容易引起裂纹的某种不足或装配不当有关。

曲轴R角尺寸测量结果表明断口源区R角倒圆半径和R角最深处至轴颈表面的距离均位于标准要求的下限，而未断裂区的R角倒圆半径和R角最深处至轴颈表面的距离均位于标准要求的上限。

R角倒圆半径和R角最深处至轴颈表面的距离位于技术要求的下限会使得源区的应力集中程度较大，对曲轴早期疲劳断裂具有促进作用。

但由于二者均在技术要求的范围之内，所以断口源区R角倒圆半径和R角最深处至轴颈表面的距离均位于标准要求的下限不是曲轴早期疲劳断裂的主要原因。

残余应力测量结果表明，曲轴R角滚压应力分布不均，曲轴断裂R角源区的残余压应力比其附近完好R角区域的残余压应力略高，比第2主轴颈R角区域的残余压应力高，比第2连杆颈R角区域的残余压应力小。

而疲劳断裂一般由残余压应力较小的R角区域起始。因此，曲轴断裂R角残余压应力比其它未断裂轴颈R角的残余压应力相对较小对曲轴早期疲劳断裂有促进作用，但不是曲轴早期疲劳断裂的主要原因。

金相组织检查结果表明，R角及轴颈淬火层组织中未见明显异常。

曲轴淬火层对应轴颈心部带状组织明显、R角对应轴颈心部有轻微带状组织，而曲轴主要受到垂直于带状组织长度方向的力，且曲轴拉伸性能满足技术要求，所以轴颈心部带状组织对曲轴的服役性能没有太大的不利影响。

硬度测试结果表明，淬火层对应轴颈心部的硬度比技术要求的略低，轴颈R角部位及淬火层硬度满足技术要求，而断裂位置为R角部位，因此，轴颈心部硬度略低与曲轴早期疲劳断裂关系不大。

曲轴R角表面可见由滚压不当引起的白亮层。

白亮层容易引起表面开裂，但曲轴白亮层厚度较小（4μm）且未发现大面积存在的情况，因此，该白亮层不是曲轴断裂的主要原因。

断口源区附近轴颈R角表面可见一定数量、大小不等的周向微裂纹，该微裂纹与滚压有关，且R角滚压残余应力分布不均，这表明轴颈R角存在滚压不良。

综上所述，曲轴服役过程中受到较大应力作用是其发生疲劳断裂的主要原因，分析认为，该应力可能与滚压或装配不当有关。

另外，R角倒圆半径和R角最深处至轴颈表面的距离位于技术要求的下限，滚压不当引起的白亮层、R角表面的微裂纹及残余压应力分布不均，对曲轴的疲劳断裂具有促进作用。

生产过程中，淬火工艺不当引起的内部裂纹或热处理、锻造不当导致的裂纹处于曲轴危险工作位置或锻造过程中形成的带状组织与工作应力平行时，容易导致早期疲劳断裂，建议控制淬火质量，避免内部裂纹和带状组织。

扇板上垂直于曲轴轴向的抗拉、屈服强度明显比处于技术要求下限的曲轴轴颈45°方向的抗拉、屈服强度高，这表明曲轴轴颈部位抗拉、屈服强度相对较低，建议适当提高该部位的抗拉、屈服强度。

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结论

（1）曲轴断裂性质为疲劳断裂；

（2）曲轴服役过程中受到较大应力作用是其发生疲劳断裂的主要原因，分析认为，该应力可能与滚压或装配不当有关；

（3）曲轴R角倒圆半径和R角最深处至轴颈表面的距离位于技术要求的下限，滚压不当引起的白亮层、R角表面的微裂纹及残余压应力分布不均，对曲轴的疲劳断裂具有促进作用。

本文作者

黄萍

本文编辑

陈健

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