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。
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
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
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
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） （%）
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
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。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。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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