qichecailiao. 　　摘要:某型号汽车发动机曲轴使用很短时间便发生断裂事故。借助光学显微镜、扫描电子显微镜等手段对该汽车用发动机曲轴的材质、裂纹形态及扩展方式及断口表面进行分析。结果表明，该汽车用发动机曲轴加工时在应力集中程度最大的地方有规则的加工刀痕是该曲轴疲劳断裂的主要原因。

　　关键词:曲轴;应力集中;疲劳断裂

　　某型号汽车发动机曲轴，使用约5天后发生断裂，并且断裂位置有两处，整个曲轴断裂为3段，如图1所示。曲轴技术要求为:材料:42CrMo钢;调质处理:硬度～HB，σb≥～MPa，σs≥MPa，δ≥13%，ψ≥50%，KU2≥47J;轴部表面感应淬火，层深:3.0～6.5mm，硬度:50～56HＲC。为防止此类事故的再次发生，对曲轴的失效原因进行了分析。

1理化检测

　　1.1化学成分及力学性能检测

　　在曲轴的断裂附近取样进行化学成分分析及力学性能检测，化学成分分析结果见表1，力学性能检测结果见表2。结果表明，失效曲轴材质符合GB/T—《合金结构钢》中42CrMo钢材质要求。力学性能检测结果显示曲轴符合技术要求，但由于该样品取自使用过的曲轴，使用过程中力学性能会发生一定变化，因此检测结果仅供参考。

　　1.2硬度检测

　　轴部表面感应淬火区硬度:51.0、51.0和50.5HＲC，基体硬度HBW。由于该样品取自使用过的曲轴，使用过程中力学性能会发生一定变化，因此检验结果供参考。该检测结果符合零件的技术要求。

　　1.3断口特征分析

　　该曲轴断裂成3段，断裂位置均在轴颈根部，形态见图1。由于存在2个断口，所以应确定主断口，即首先开裂的断口。主断口往往包含着构件断裂失效的直接原因，因此准确确定主断口是断裂失效分析的关键。图2(a，b)是图1中1号位置断口的宏观形貌，靠近边部多数区域断面被挤压磨损，中部凹陷处可见贝纹状条纹;图2(c)是图1中2号位置断口的宏观形貌，断口面上主要以撕裂棱为主。通过对1号、2号位置宏观断口特征的观察，确定1号断口为主断口。

　　对主断口，即1号断口进一步分析发现，在断口边缘有明显的加工刀痕，轴颈根部部分断口边缘齐平，与加工刀痕重合，如图3所示。图4为主断口扫描电子显微镜图像，断面被挤压磨损的部位依然残留部分大致平行分布的条纹。

　　1.4金相分析

　　主断口(1号断口)是断裂失效的主要原因，因此本文主要对主断口进行了金相分析。在主断口附近取样，样品未侵蚀时在光学显微镜下观察非金属夹杂物;样品经4%硝酸酒精水溶液侵蚀后，在光学显微镜下观察晶粒度及显微组织。经观察发现，按照曲轴的工艺要求，轴部表面有感应淬硬层，轴颈根部至断口边缘感应淬火区域形态见图5(a)，淬硬层深度测定结果为3.30～3.40mm，符合该零件的技术要求。淬硬层起始位置距断口边缘约1.1mm，如图5(b)所示。感应淬硬层显微组织为细针状回火马氏体+少量残留奥氏体，见图5(c)。

　　依据GB/T—《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》评定失效曲轴中夹杂物含量为A1、D1，见图6(a)。依据GB/T—《金属平均晶粒度测定方法》中的比较法评定晶粒度级别为级，见图6(b)。基体显微组织为回火索氏体+少量铁素体，见图6(c)，属于调质工艺正常组织。检验结果表明，材质中未见尺寸较大的非金属夹杂物以及粗大晶粒、粗大组织。

2讨论

　　该曲轴化学成分符合GB/T—中42CrMo钢材质要求，力学性能、感应加热淬硬层深度检测结果均符合产品技术要求。

　　循环载荷作用下，经一定循环周次后发生的断裂称为疲劳断裂，这是一种突发性的断裂，宏观断口上可明显的区分为光滑平坦的裂纹扩展区和较粗糙的顺断区，一般情况下，在裂纹扩展区还很容易观察到贝纹线特征，又称海滩花样，并常可观察到裂纹源;在电镜下断口上可观察到条纹特征。曲轴在工作中既扭转又弯曲，产生疲劳应力状态，图1中1号位置断口的断裂位置附近没有明显的宏观塑性变形，断口面上存在贝纹线条纹特征，如图2(a，b)和图4所示，这种特征属于疲劳裂纹稳定扩展阶段形成的弧形线，因此，该断口的断裂性质属疲劳断裂。曲轴结构强度研究的重点是弯曲疲劳强度，即曲轴承受弯曲疲劳载荷。由断口形貌可以看出，裂纹源位于曲轴应力集中程度较严重的轴颈与曲轴臂交界处，即此处应力最大，断口与其轴线约为90°，如图1所示，疲劳扩展区占断口总面积比例较大，超过50%，如图2(b)所示;曲轴受力如图7所示，由断口形貌可看出疲劳裂纹从弯曲张应力一侧萌生，向另一侧扩展。综上所述，曲轴的断裂性质为交变载荷作用下的(单向)弯曲疲劳断裂，且导致断裂的实际应力(弯曲应力)不大。

　　该曲轴用钢中未检测出易诱发疲劳裂纹萌生和扩展的材质及工艺缺陷，感应淬硬层起始位置虽然位于轴颈根部，但未起始于断口边缘。有时零件加工后，在表面留有刀痕，这种缺陷作为表面不连续因素引起应力集中，经常诱发裂纹萌生，构成零件失效。宏观断口分析可以看出，轴颈根部部分断口边缘齐平，与加工刀痕重合，该处的加工刀痕规整，且位于轴颈根部，而曲轴在工作状态下，该处正好处于应力集中程度最大的位置，因此加工刀痕的存在加剧了应力集中的程度，使得疲劳裂纹易于萌生，该曲轴断裂后，断口边缘正好与加工刀痕的重合，说明该加工缺陷的存在促进了疲劳裂纹的形成。

　　另外，感应淬火的起始位置与基体的交界处，在残余应力的分布上有一个拉应力区，加上材料的软、硬交接带来的应力集中，通常是零件失效事故的高发区，而该曲轴断口边缘距感应淬火的起始区约1.1mm，未与断口边缘相接，虽与断裂有适量影响，但不能构成疲劳断裂的主要影响因素。

　　图1中2号断口(非主断口)的断口面上主要以撕裂棱为主，而撕裂棱属于断口瞬时断裂特征，其所受载荷超过金属的强度极限而开裂，因而该断面形成可能基于曲轴的非正常运转而使其受力较大所致。

　　综合以上结果和分析，由于轴颈根部有规则的加工刀痕，且断口边缘与加工刀痕重合，因此，加工缺陷是该曲轴断裂的主要原因。

3结论

　　该曲轴材质及力学性能符合相关标准及产品技术要求。曲轴轴颈根部有规则的加工刀痕是该曲轴疲劳断裂的主要原因。

来源：期刊-金属热处理

　　作者：王凡，闫世春，孙远东，刘素芬，温铁丽，黎鑫，于宏

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