閉式雙點壓力機曲軸斷裂失效分析研究

任東杰，談正寶，宋健友，呂淑玲

（揚州鍛壓機床股份有限公司，江蘇 揚州 225128）

閉式雙點壓力機曲軸斷裂失效分析研究

任東杰，談正寶，宋健友，呂淑玲

（揚州鍛壓機床股份有限公司，江蘇 揚州 225128）

本文為分析曲軸產生斷裂失效的原因，采用對失效件進行詳細分析，找到導致零件失效的原因，并分析這些影響因素的作用機理，得出基本合理的科學理論。通過后續的實際生產檢驗，證實分析和改進措施的有效性。

壓力機；曲軸；斷裂；分析；閉式；雙點

曲軸是壓力機的重要零件之一，通常在沖擊載荷及摩擦作用下工作。曲軸通常采用40Cr低合金鋼材料，加工工序流程主要包括：前期機加工→調質處理→精加工→外圓表面感應淬火→磨削加工，其中：調質硬度需達到241～286HB,表面淬火后外圓硬度值需達到48～53HRC；熱處理后進行探傷檢驗，不得出現裂紋；曲軸兩端的中心孔須作研磨處理。曲軸示意圖如圖1所示，其中黃色為表面淬火區域，紅色部分為曲軸臺階引起的應力集中區域。

圖1 閉式雙點壓力機曲軸

在實際使用過程中，圖1中的紅色區域出現了曲軸過早斷裂失效的現象，失效后的原始斷口形狀如圖2所示。為了分析零件過早失效的原因，擬采用斷口宏觀形貌分析、化學成分分析、微觀形貌分析、晶相分析、硬度梯度分布測量等方法對失效件進行詳細分析，找到可能導致零件失效的原因，并分析這些影響因素的作用機理。

圖2 失效件斷口的原始照片

根據不同分析試樣的檢測要求，在失效件斷口的典型特征位置取樣（圖1黑線為此次斷裂位置），取樣示意圖如圖3所示。

圖3 失效斷口的取樣示意圖

1 斷口宏觀形貌分析

曲軸斷口記錄了樣品斷裂時的全過程，包括裂紋的產生、擴展直至開裂。因此對曲軸的斷口宏觀分析是最為直接也是必不可少的失效分析的步驟之一。圖4為曲軸斷口宏觀照片，其中4a為疲勞裂紋源，4b為擴展區和韌性斷裂區，4c為瞬斷區。

以上宏觀斷口有明顯的疲勞斷裂特點，疲勞源、疲勞輝紋、韌性斷裂區以及終斷區，其中擴展區斷口較光滑，韌性斷裂區為凹凸不平的韌窩，而終斷區為撕裂狀。從宏觀斷口形貌分析可初步判斷，在承受交變載荷作用下，曲軸產生了疲勞失效斷裂現象。

2 化學成分分析

材料化學成分是零件機械性能的重要保證，對產品的處理工藝和綜合性能有很大影響。為滿足實際生產對產品性能的要求，必須對材料的化學成分進行認真測量和分析。采用光譜分析儀測量斷裂源區和心部的元素成分，結果如表1所示。

40Cr合金鋼所含成分的國家標準（GB/T3077）為：C=0.37～0.44，Si=0.17～0.37，Mn=0.50～0.80，S≤0.025，P≤0.025，Cr=0.80～1.10，Ni≤0.3，Cu≤0.25。

圖4 失效樣品照片

表1 斷裂源區元素成分

由此可判斷失效件斷口和心部材料的化學成分均符合國家標準，排除了因材料成分不合格引起的失效斷裂現象。

3 斷口微觀形貌分析

為進一步分析曲軸失效原因，擬采用環境掃描電子顯微鏡對失效件斷口進行表面微觀形貌觀察。具體實驗時，在斷口的不同位置取樣（取6個具有代表性的試樣）并編號。

如圖5、6、7、8所示為斷裂源區試樣的掃描電鏡照片，從圖5中箭頭所示位置能夠明顯看到疲勞紋線、微裂紋，微裂紋從表面開始產生向內延伸，形成大的裂紋。圖6為裂紋擴展后形成的尺寸較大的裂紋區。在圖7中能夠看到沿河流花樣的方向擴展的微裂紋。在圖8中形成了沿晶界擴展的微裂紋。

圖5 表面裂紋、疲勞紋線以及微裂紋圖

圖6 裂紋擴展后形成的裂紋區

圖7 脆性區的微裂紋

圖8 沿晶界擴展的微裂紋

圖9反映了曲軸斷口的裂紋擴展區的微觀形貌，從圖中可以看到明顯的臺階，而臺階周圍較平滑、整齊，具有脆性斷裂的特征。圖10為終斷區的微觀形貌，呈撕裂狀，并且有很多的凹坑和裂紋。從斷口的掃描電鏡照片可以明顯看到很多淬火裂紋，這是因為該曲軸在感應淬火后并沒有進行回火，從而導致有很大的淬火應力，形成了很多的微裂紋、斷口臺階平滑、整齊，具有脆性斷裂的特征。

圖9 擴展區臺階

4 金相組織分析

曲軸的最終熱處理表面感應淬火可以保證曲軸表面獲得較高的硬度和耐磨性能，淬火區的組織為淬火馬氏體和少量的殘余奧氏體（表面淬火區組織如圖11～15所示），硬度可達到48～53HRC，保持了曲軸表面的高硬度和高的耐磨性能。未淬火區的組織主要為回火索氏體。在做金相檢測時，對斷裂源區、擴展區（心部）、終斷區等不同區域分別取樣進行觀察。

圖11 淬硬層過渡區的金相組織

圖11為淬火區與未淬火區域的過渡區，為400倍下觀察到的金相顯微組織。左下方為未淬火區，其組織為回火索氏體和少量的鐵素體。右上方為淬火區，其組織為淬火馬氏體和少量的殘余奧氏體。

圖12為未淬火區的組織，為400倍下的顯微組織。其組織為回火索氏體和網狀的鐵素體。

圖12 未淬火區的金相組織

圖13 擴展區的金相組織

圖13為斷口擴展區的金相顯微組織，為400倍下觀察到的組織形貌，從圖中能夠看到片狀的珠光體和鐵素體，且鐵素體的含量過高，達到了40%，導致了失效件的強度不足，容易引起曲軸的過早失效斷裂。

圖14為斷口終斷區的金相顯微形貌，為400倍下觀察到的顯微組織。從圖中觀察到組織的晶粒大小不均勻，且除了網狀的鐵素體之外，還有分布不均勻的成片的鐵素體。

5 硬度分析

硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一項重要的性能指標，是材料彈性、塑性、強度和韌性等力學性能的綜合指標。一般認為，材料的抗拉強度和疲勞強度與硬度存在一定的線性關系，硬度越高，疲勞強度越高。

采用HRS-150型數顯洛氏硬度計測量斷口試樣的硬度，分兩組測量硬度值，第一組為沿徑向從外圓向心部的洛氏硬度，如表2所示。第二組為沿圓弧方向的淬硬層的硬度，如表3所示。從以上實驗結果可以得出淬硬層深度為3.2mm，在軸的表面處淬硬層的硬度值最高只有43.9HRC，最低是31.7HRC，平均值為39.8HRC，淬硬層的硬度沒有達到產品的工藝技術要求，技術要求淬硬層的硬度為48～53HRC。感應淬火過程中，工件沒有轉動，淬火均勻性較差，導致曲軸淬硬區硬度分布不均勻。淬火區的硬度不足會影響零件的抗拉強度、疲勞強度和耐磨性能，導致產品抵抗破壞的能力變差，是樣品零件斷裂失效的主要原因之一。

圖15 硬度取樣示意圖

圖16 硬度點分布示意圖

圖17 斷口沿徑向從外圓向心部的硬度分布圖

6 結論

圖18 曲軸表面硬度分布圖

（1）從曲軸失效斷裂斷口的宏觀觀察可發現疲勞斷裂的一些典型特征，如疲勞源、疲勞擴展區，韌性斷裂區以及終斷區。韌性斷裂區有明顯的韌窩，終斷區呈撕裂狀。在斷裂源區存在典型的斷裂特征源，極易導致失效件的疲勞斷裂。

（2）該曲軸的化學成分符合國家標準，排除化學成分不合格引起的失效情況。

（3）SEM觀察斷口的微觀形貌，能夠看到明顯的疲勞紋線、各種尺寸的微裂紋和臺階，因此曲軸過早失效的原因可能是由于淬火裂紋引起的疲勞脆性斷裂，和宏觀觀察到的典型特征形貌基本一致。

（4）從金相顯微組織分析結果可以看出，淬火層的組織為淬火馬氏體，基體為回火索氏體和鐵素體，但是擴展區的鐵素體含量過高，達到40%，導致其強度較差，是引起曲軸過早失效斷裂的原因之一。

（5）硬度試驗結果表明，曲軸的淬硬層深度約為3.2mm，但淬硬層的硬度過低，沒有達到產品工藝技術要求的硬度值，導致產品抵抗破壞的能力變差，是曲軸零件斷裂失效的主要原因之一。

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2008.

[2]熱處理手冊編寫組.熱處理手冊[M].北京：機械工業出版社，1981.

[3]表面處理編寫組.表面處理[M].北京：國防工業出版社，1991.

Analysis and research of fracture failure for closed double point crankshaft

REN Dongjie,TAN Zhengbao,SONG Jianyou,LV Shuling
（Yangzhou Metal Forming Machine Group Co.,Ltd.,Yangzhou 225128,Jiangsu China）

In order to analyze the reasons for fracture failure of the crankshaft,the failure parts have been analyzed in detail.The reasons for failure parts have been found out,and the function mechanism of these factors has been analyzed.The reasonable scientific theory has been obtained.By use of the follow-up actual production inspection,the effectiveness of the improvement measure has been proved and analyzed.

Crankshaft;Crack;Analysis

TG315.5

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.01.007

1672-0121（2017）01-0032-04

2016-08-24；

2016-08-10

任東杰（1980-），男，工程師，從事鍛壓設備設計分析工作。E-mail：beijing2008chenc@163.com