发动机曲轴断裂分析

丛建臣倪培相孙军邓天润曲轴股份有限公司 2013-04-02

通过宏观分析、断口分析、化学成分检验、金相检验和力学性能检测等方法对汽车发动机曲轴断裂原因进行分析，结果表明：某型号曲轴主轴颈拉瓦、烧瓦导致曲轴轴颈和圆角发生二次淬火，圆角组织发生转变，硬度降低，最终引起曲轴疲劳断裂。

曲轴是汽车发动机的重要部件之一，发动机的全部功率都由曲轴输出。曲轴的工作环境相当恶劣，它在工作过程中承受着周期性变化的气体压力和活塞连杆组往复运动及旋转运动的惯性力作用。长期处于弯曲、扭转、振动以及拉压等循环应力状态下，曲轴容易产生弯曲和扭转变形，导致曲轴疲劳和产生裂纹，甚至断裂。

曲轴断裂案例分析

某汽车发动机曲轴在使用过程中发生断裂，经拆解发现，该曲轴在第四主轴与第四连杆之间的第七配重铁处断裂，断裂面与轴颈方向成45°角，第四主轴颈严重拉瓦、烧瓦（见图1）。此曲轴材质为合金钢，钢号为C38N2BY，锻造后经正火、调质处理，最终强化工艺为轴颈和圆角中频感应淬火。我们通过宏观分析、断口分析、化学成分检验、金相检验和力学性能检测等方法，对断裂曲轴进行检测分析，查找曲轴断裂原因。

1.取样

分别从断轴的断口附近切取化学成分试样，从第四主轴颈的断口部位切取金相试样，从断裂处的配重铁上切取拉伸试样、冲击试样和硬度试样，检测该曲轴的化学成分、组织和性能。金相试样包括断口和轴颈，用平面磨把裂纹源处与断面成90°方向的纵截面磨平，观察金相组织。性能试样均按照该型号曲轴的取样要求，切取制备。

2.检测设备

利用LAVMB18A型直读光谱仪、GX-71型奥林巴斯金相显微镜、JVC型奥林巴斯体视镜、数显液压万能试验机和HB－3000型布氏硬度计等检测仪器对该断轴的化学成分、组织、断口形貌和力学性能进行检测。

3.检测结果

（1）化学成分检测失效曲轴的化学成分检测结果如表1所示。从表1中可知该曲轴的化学成分符合QJ.A.W-130-2004的标准要求。

（2）宏观组织分析从宏观断口看，该曲轴断口裂纹源在主轴颈圆角处，裂纹呈放射状向配重铁内部扩展，最终在四连杆圆角处断裂（见图2）。曲轴瞬断区面积较大，约占整个断面的一半，可以判定曲轴在使用过程中受到较大外力作用。

将断裂轴颈纵向剖开后，采用4％硝酸酒精溶液侵蚀纵截面，发现轴颈淬火区域异常，正常的淬火区侵蚀颜色应该是黑灰色，如图3中圆角部位，而轴颈侵蚀后颜色为浅灰色，圆角淬火层颜色明显不同，并且从图3中可以看出淬火层形状良好，圆角淬火层形状饱满，轴颈淬火层也不存在马鞍形等缺点。淬火层颜色异常区正好处在轴颈拉瓦严重区域，说明拉瓦过程中产生高温，使轴颈金相组织变化，从而使轴颈淬火层颜色与圆角淬火层颜色不同。

（3）微观组织分析从图4、图5微观组织看，断口附近基体组织良好，无夹杂物，基体组织呈轻微带状分布，晶粒均匀细小，晶粒度等级为7～8级。正常淬火区（见图6）马氏体细小，级别为5级，存在微量铁素体，淬火组织符合JB/T9204-2008《钢件感应淬火金相检验》要求。

沿轴颈表面垂直向里观察金相组织，发现轴颈表面金相组织主要由粗大马氏体、少量铁素体组成，马氏体深度约为1.0mm，往里则依次出现索氏体、珠光体以及铁素体等组织（见图7）。

断裂部位圆角金相组织如图8所示，近表面有很薄一层马氏体组织，约为0.5mm，往里则依次出现珠光体、铁素体以及索氏体等混合组织。

（4）淬火检测依据GB5617-2005《钢的感应淬火或火焰淬火后有效硬化层深度的测定》中的规定方法对淬火试样的圆角和轴颈分别进行检测，检测数据如表2所示。

从表2中可以看出淬火试样未断裂一侧圆角淬硬层深度为2.800mm，而断裂一侧圆角和轴颈的淬硬层深度只有0.568mm和0.989mm，淬硬层深度远远低于该型号曲轴的图样技术要求。图9更能直观地看出断裂一侧和未断裂一侧圆角淬硬层硬度的差异。

（5）力学性能检测在失效曲轴断口附近的基体中取拉伸试样和硬度试样进行力学性能检测，检测结果见表3。从表3中的机械性能检测值看出，该曲轴的强度、韧性和硬度均在图纸技术要求范围内，性能良好。

4.分析

当曲轴轴颈和连杆轴颈的油道或油孔堵塞，造成发动机曲轴轴颈与轴瓦之间由于没有油膜保护而出现严重干磨，接触表面达到极限高温，曲轴颈与轴瓦之间相互咬死、烧结，如果散热措施不好，很容易在轴颈表面（从几十微米到几百微米）发生二次淬火及高温回火。当轴颈表面层的瞬间温度超过钢的AC1点，轴颈表面就会出现二次淬火马氏体，而在轴颈表层下由于温度梯度大、时间短，只能形成高温回火组织，从而在表层和次表层之间出现拉应力，而表层为一层薄而脆的二次淬火马氏体，在内、外力的的交互作用下，将产生裂纹。