6DF1曲軸斷裂失效原因分析

趙 陽，呂夢國，姜全會，陳禮清，劉相華

（1.東北大學軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧沈陽，110819；2.遼寧五一八內(nèi)燃機配件有限公司，遼寧丹東，118009）

6DF1曲軸屬于大馬力柴油機發(fā)動機用曲軸，在服役過程中偶爾發(fā)生早期斷裂，嚴重影響該產(chǎn)品的使用。為避免6DF1曲軸斷裂事故的發(fā)生，為曲軸的使用提供安全保障，有必要對其斷裂原因進行深入分析。本文主要利用斷口形貌觀察和化學成分分析，結(jié)合金相檢驗和力學性能測試等方法，對6DF1曲軸發(fā)生斷裂的原因進行研究。

1 試樣的選取

現(xiàn)有一6DF1曲軸在服役過程中發(fā)生了早期斷裂，其斷裂位置位于連桿軸頸處，與大多數(shù)早期斷裂的6DF1曲軸斷裂位置及斷裂方式一致，具有一定的代表性，因此本研究選擇該曲軸來分析6DF1曲軸斷裂失效的原因。6DF1曲軸一般使用42Cr Mo鋼模鍛生產(chǎn)，其主要生產(chǎn)工藝流程為：加熱→鍛造→切邊→扭拐→調(diào)質(zhì)處理→粗加工→去應力退火→圓角淬火→回火→精磨加工→磁粉探傷→入庫。

2 檢測

首先對6DF1曲軸的斷口進行宏觀分析，以確定其失效形式；然后在曲軸的斷裂位置附近利用線切割取樣、機加工成標準試樣，分別進行斷口的微觀形貌觀察、化學成分分析和金相組織檢驗，并對圓角淬火處理后的硬化層深度進行檢測和力學性能測試。

主要測試儀器包括：LEICA Q550IW光學顯微鏡、FEI QUANTA 600掃描電子顯微鏡、JEOL JXA－8530F場發(fā)射電子探針顯微分析儀、FM－700顯微硬度計、CMT5105微機控制電子萬能試驗機和INSTRON DYNATUP 9250HV落錘式?jīng)_擊試驗機。

3 檢測分析結(jié)果

圖1 6DF1曲軸的宏觀斷口照片F(xiàn)ig.1 Macro－morphology of the fracture surface of 6DF1 crankshaft

3.1 斷口的宏觀形貌

圖1為6DF1曲軸斷口的宏觀形貌照片。由圖1中可見，該曲軸的斷裂發(fā)生在連桿軸頸部位，且斷口上有明顯的貝紋線特征，表明該曲軸的斷裂方式屬于疲勞斷裂。在疲勞裂紋擴展后期，曲軸斷口上出現(xiàn)了裂紋迅速擴展的放射狀跡線。根據(jù)貝紋線的弓出方向和放射狀跡線的擴展方向，可以確定疲勞裂紋源位于圖1中箭頭所指處，該位置位于連桿軸頸內(nèi)部，距離連桿軸頸表面為4.8 mm。注意到這類斷裂的裂紋源位于連桿軸頸的內(nèi)部，而一般曲軸斷裂的裂紋源位于表面，這種差異在進行該曲軸失效分析時應予以考慮。

3.2 斷口的微觀觀察

圖2為6DF1曲軸疲勞源區(qū)的SEM形貌照片。雖然斷口有些氧化，但仍可以看出在疲勞源區(qū)（圖2中的圓圈區(qū)域）中沒有夾雜物，表明疲勞斷裂不是由材料的夾雜引起的。

3.3 化學成分分析

表1所示為6 DF 1曲軸的化學成分分析結(jié)果。由表1中可見，該6 DF 1曲軸的化學成分符合GB／T 3077—1999標準中對42Cr Mo鋼的技術(shù)要求，表明該6DF1曲軸的材質(zhì)符合規(guī)定要求。

圖2 6DF1曲軸裂紋源區(qū)的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM image of the crack initiation region of 6DF1 crankshaft

表1 6DF1曲軸的化學成分（wB／%）Table 1 Chemical compositions of 6DF1 crankshaft

3.4 顯微組織分析

圖3和圖4分別為6DF1曲軸疲勞源附近放大50倍和1 000倍的顯微組織照片。從圖3中可以看出，6DF1曲軸的組織呈現(xiàn)出明顯的成分偏析。而由圖4中可見，雖然該曲軸的組織呈現(xiàn)出一定的成分偏析，但仍為回火索氏體，表明采用調(diào)質(zhì)處理工藝并沒有給其金相組織帶來不利的影響。結(jié)合圖2還可以看出，該6 DF 1曲軸的斷口未發(fā)現(xiàn)由鍛造工藝不當引起的缺陷，如表面裂紋、折疊、鍛入的氧化鐵皮等，表明該曲軸的鍛造工藝也符合要求。為了確定是何種元素產(chǎn)生了偏析，還利用電子探針對疲勞源附近的顯微組織進行了面掃描成分分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5中可見，C、Mn和Cr元素都產(chǎn)生了偏析。

圖3 6DF1曲軸的顯微組織照片（×50）Fig.3 Optical microstructure of 6DF1 crankshaft（50 times）

圖4 6DF1曲軸的顯微組織照片（×1 000）Fig.4 Optical microstructure of 6DF1 crankshaft（1 000 times）

圖5 電子探針元素面掃描照片F(xiàn)ig.5 Face scanning of electron microprobe

3.5 硬化層深度檢測

按照GB／T 5617—2005標準，對6DF1曲軸主軸頸和連桿軸頸處的硬化層深度進行了測定，測定結(jié)果見表2。由表2中可見，該6DF1曲軸主軸頸和連桿軸頸的硬化層深度均滿足規(guī)定要求，因此，可判斷其疲勞斷裂不是由硬化層深度不合格造成的。

表2 6DF1曲軸的硬化層深度Table 2 Hardened layer depth of 6DF1 crankshaft

3.6 力學性能檢測

在6DF1曲軸上切取拉伸試樣和沖擊試樣，并進行了拉伸試驗和沖擊試驗，試驗結(jié)果見表3。從表3中可以看出，6DF1曲軸的力學性能指標均滿足技術(shù)要求。此外，還對試驗后的拉伸試樣和沖擊試樣進行了金相組織檢測，結(jié)果表明拉伸試樣和沖擊試樣的組織為回火索氏體組織，但組織中未出現(xiàn)成分偏析，表明該6DF1曲軸拉伸試樣和沖擊試樣位置處未出現(xiàn)成分偏析，成分偏析發(fā)生在裂紋源附近。

表3 6DF1曲軸的力學性能Table 3 Mechanical properties of 6DF1 crankshaft

4 討論

該曲軸的疲勞裂紋源位于連桿軸頸的內(nèi)部靠近表面的位置，表明該裂紋源并不是由表面感應淬火時硬化層深度不夠所引起的；考慮到曲軸表面所受到的應力最大，也可以排除裂紋源處發(fā)生應力集中的可能；曲軸上沒有發(fā)現(xiàn)由鍛造工藝不當引起的缺陷，且其力學性能指標均符合技術(shù)要求。由此可見，該6DF1曲軸的疲勞斷裂是由裂紋源處的成分偏析所引起的。

鋼錠在結(jié)晶時，由于晶內(nèi)偏析（枝晶偏析）的結(jié)果，在枝晶之間富集了硫、磷等雜質(zhì)，硫、磷的成分偏析將顯著增大鋼的冷脆性和時效敏感性，降低其力學性能，特別是沖擊韌性［1－2］。當曲軸中存在嚴重的成分偏析時，由于曲軸受到反復的循環(huán)應力作用，極易在成分偏析區(qū)域形成疲勞裂紋源。一旦形成裂紋源，曲軸將很快發(fā)生疲勞斷裂，而這正是該6DF1曲軸發(fā)生疲勞斷裂的原因。通過常規(guī)的退火、正火、淬火、滲碳加熱等工藝很難消除鋼的成分偏析［3］，因此，應提高材料驗收標準以避免由于成分偏析引起的疲勞斷裂。

5 結(jié)論

（1）該6DF1曲軸的失效形式為疲勞斷裂，疲勞裂紋源位于連桿軸頸的內(nèi)部、距離連桿軸頸表面4.8 mm處。

（2）疲勞裂紋源處存在的成分偏析是造成6DF1曲軸發(fā)生疲勞斷裂的主要原因。應從材料驗收方面考慮提高相應的驗收標準以杜絕此類疲勞斷裂的產(chǎn)生。

［1］ 劉天佑.鋼材質(zhì)量檢驗［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007：98.

［2］ 陳思政.金屬的強度與檢驗［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1981：118－119.

［3］ 劉云旭.低碳合金鋼中帶狀組織的成因、危害和消除［J］.金屬熱處理，2000，25（12）：1－3.