汽油機(jī)球墨鑄鐵曲軸失效分析與研究

王立新袁峰梅本付謝薇

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

汽油機(jī)球墨鑄鐵曲軸失效分析與研究

王立新袁 峰 梅本付 謝 薇

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

球墨鑄鐵鑄造的某汽車發(fā)動機(jī)曲軸在發(fā)動機(jī)臺架耐久試驗中發(fā)生開裂。對失效曲軸的斷口進(jìn)行了宏觀及微觀分析。結(jié)果表明，該曲軸耐久試驗開裂為多源疲勞所致，起源點(diǎn)均位于滾壓溝槽處。通過改進(jìn)曲軸軸頸機(jī)加工工藝和適當(dāng)?shù)臏喜蹪L壓力，減少刀痕和毛刺，增大溝槽處的殘余壓應(yīng)力，有助于解決球墨鑄鐵曲軸耐久試驗時的開裂現(xiàn)象。

曲軸 球墨鑄鐵 石墨 軸頸 殘余應(yīng)力

曲軸是汽車發(fā)動機(jī)最重要的零件之一，運(yùn)轉(zhuǎn)中的受力情況非常復(fù)雜，承受著彎曲、扭轉(zhuǎn)和壓縮等載荷的作用。這些載荷不僅數(shù)值較大，而且一般呈周期性變化，容易引起曲軸的扭轉(zhuǎn)和彎曲變形，甚至產(chǎn)生裂紋和斷裂[1]。在進(jìn)行發(fā)動機(jī)整機(jī)的耐久或循環(huán)熱載荷臺架試驗中，由于鑄造材料和鑄造工藝的特性，加之后期的機(jī)加工和滾壓不當(dāng)，在某些特定區(qū)域可能會產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致試驗失敗。某汽油發(fā)動機(jī)曲軸材料使用該汽車企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)球墨鑄鐵，臺架試驗263 h后于4P拐徑轉(zhuǎn)角處發(fā)生開裂(要求621 h不開裂)，停機(jī)后發(fā)現(xiàn)曲軸軸頸處有裂紋。

1 宏觀形貌

斷裂曲軸為四缸曲軸，有4拐，拐徑約為φ40 mm，總長約440 mm。圖1為該失效曲軸的模型圖，開裂位置如圖中箭頭所示，所有的拐徑轉(zhuǎn)角處(即溝槽處)均經(jīng)滾壓處理。

圖1 斷裂曲軸模型圖Fig.1 Diagrammatic figure of broken crankshaft

肉眼觀察發(fā)現(xiàn)整個溝槽滾壓面較平整，無明顯的毛刺、刀痕等機(jī)加工缺陷。曲軸開裂處外觀如圖2(a)所示，可見裂縫位于向心側(cè)，裂縫中間段沿轉(zhuǎn)角溝槽分布。將裂縫打開得到斷面，如圖2(b)所示，可見裂面中間段沿轉(zhuǎn)角滾壓面分布，約達(dá)1/4周長，裂面兩側(cè)則沿平行切線方向擴(kuò)展，斷面上存在明顯的貝殼狀花樣，由箭頭所指溝槽處起始，放射狀擴(kuò)展。邊緣起始區(qū)有多條臺階且光亮，表明其為先期開裂，擴(kuò)展區(qū)相對比較平坦，宏觀疲勞條紋清晰，斷面兩側(cè)則相對粗糙，呈相對高應(yīng)力下終斷形態(tài)。對起始區(qū)作進(jìn)一步觀察，可見該處高低不平，有多條明顯徑向臺階，表明疲勞開裂為多源起始，如圖2(c)所示，與文獻(xiàn)[2]的斷裂模式較為接近。該區(qū)域附近未見明顯的機(jī)械損傷現(xiàn)象。

圖2 斷裂曲軸軸頸處外觀(a)、宏觀裂紋形貌(b)及其起源區(qū)形貌(c)

2 化學(xué)成分

對失效曲軸進(jìn)行化學(xué)成分分析，采用光譜法檢測，結(jié)果顯示球墨鑄鐵曲軸的化學(xué)成分符合該汽車企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)的要求，見表1。

表1 失效曲軸的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

3 斷口掃描電鏡分析

3.1 4P拐斷面

(1)斷面起始區(qū)及周邊

斷面起始區(qū)的低倍形貌如圖3(a)所示，可見斷面較平滑，斷面附近表面上存在較多裂紋狀缺陷。高倍觀察該區(qū)域斷面，可見其表面存在平行分布的疲勞擴(kuò)展條紋，如圖3(b)所示。而斷面附近表面的裂紋與表面呈斜向分布，如圖3(c)所示。

(2)斷面擴(kuò)展及終斷區(qū)

圖3 斷面起始區(qū)低倍形貌(a)、高倍疲勞輝紋形貌(b)及附近表面裂紋形貌(c)

斷面擴(kuò)展區(qū)形貌如圖4(a)所示，可見斷面較平坦。高倍下可見片狀珠光體斷裂的準(zhǔn)解理形貌，如圖4(b)所示。終斷區(qū)較粗糙，如圖4(c)所示。高倍下可見解理狀斷面，球狀石墨散布其間，如圖4(d)所示。

3.2 4P拐開裂對應(yīng)的1P拐轉(zhuǎn)角區(qū)域

圖4 斷面擴(kuò)展區(qū)的低倍(a)和高倍形貌(b)、終斷區(qū)低倍形貌(c)和終斷區(qū)解理狀形貌(d)

為研究已開裂對應(yīng)區(qū)域的表面狀況，特取1P拐轉(zhuǎn)角相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行微觀分析?？梢娫搮^(qū)域表面也存在較多魚鱗狀裂紋，但部分?jǐn)U展并相互連接，形貌與斷面起始區(qū)周邊表面裂紋形貌相同，如圖5(a)所示。

3.3 斷裂4P拐相鄰4M軸徑轉(zhuǎn)角區(qū)域

該區(qū)域表面也存在魚鱗狀裂紋，但長度較短，未見明顯擴(kuò)展，如圖5(b)所示。

3.4 1P拐溝槽處法向截面

該區(qū)域形貌如圖5(c)所示，圖右側(cè)為溝槽表面，左側(cè)為拋光面，可見表面部分裂紋向內(nèi)表層延伸，深度較淺。

圖5 1P軸拐根部溝槽表面裂紋分布形貌(a)、斷裂4P拐相鄰4M軸頸轉(zhuǎn)角表面形貌(b)及1P軸拐轉(zhuǎn)

4 顯微組織分析

在斷口附近切割取樣并進(jìn)行顯微組織觀察。結(jié)果顯示，石墨大小及球化率均滿足要求，對試樣浸蝕后發(fā)現(xiàn)，珠光體和鐵素體數(shù)量分布也滿足要求，未發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜、疏松等鑄造缺陷。

4.1 起始區(qū)截面

起始區(qū)石墨分布形貌如圖6(a)所示，圖右上側(cè)為斷面，左上側(cè)為溝槽表面?？梢姅嗝嫔洗嬖诙瘟鸭y，與斷面平行分布。溝槽表面處存在一裂紋，垂直表面向內(nèi)擴(kuò)展，長約300 μm。該區(qū)域石墨大小可評為5級，球化級別可評為2級，經(jīng)浸蝕后，可見組織為珠光體和鐵素體，珠光體數(shù)量可評為(珠85)[3]，如圖6(b)所示。

圖6 斷面起始區(qū)石墨分布形貌(未浸蝕、(a))及斷面起始區(qū)組織形貌(b)

4.2 擴(kuò)展區(qū)截面

擴(kuò)展區(qū)石墨分布形貌如圖7(a)所示，圖上方為斷面，可見斷面較平齊，該區(qū)域石墨大小可評為5級，球化級別可評為2級，經(jīng)浸蝕后，可見組織為珠光體+鐵素體，珠光體數(shù)量可評為(珠85)[4]，如圖7(b)所示。

圖7 斷面擴(kuò)展區(qū)石墨分布形貌(a)及斷面擴(kuò)展區(qū)組織形貌(b)

5 硬度測試

在曲軸截面上進(jìn)行硬度測定(HBW 5/750)，結(jié)果為：240、243、244 HB，均滿足設(shè)計圖紙要求。

6 滾壓力與殘余應(yīng)力分析

根據(jù)失效零件的電鏡照片，比較了未失效曲軸的相同位置，發(fā)現(xiàn)失效零件的溝槽處經(jīng)滾壓后比未失效的相對粗糙，在較高倍數(shù)下可見較明顯的機(jī)加工毛刺，這些毛刺是造成該處萌生裂紋的原因之一。滾壓處理的主要目的即消除毛刺，減少應(yīng)力集中。

為了進(jìn)一步研究滾壓力與殘余應(yīng)力之間的關(guān)系，分別選取了兩家(分別用A和B代稱)不同的設(shè)備和工藝進(jìn)行兩兩交互，進(jìn)行對比試驗。測試方法均為X射線衍射法，試驗共4組數(shù)據(jù)，分別為A機(jī)加工+B滾壓、B機(jī)加工+B滾壓、B機(jī)加工+A滾壓和A機(jī)加工+A滾壓，所有樣品均取自實(shí)際試驗后的曲軸。其中A滾壓的曲軸試驗結(jié)束后均未發(fā)生斷裂或產(chǎn)生裂紋，B滾壓的曲軸均為斷裂曲軸，具體測試結(jié)果見表2。由于壓應(yīng)力測量值為負(fù)數(shù)，為了表述方便，下文中的殘余應(yīng)力值均為其絕對值。

(1)0 mm處：A滾壓殘余壓應(yīng)力范圍均大于200 MPa；B滾壓殘余壓應(yīng)力值范圍在90～230 MPa。

(2)0.05 mm處：A滾壓殘余壓應(yīng)力值范圍在215～240 MPa；B滾壓殘余壓應(yīng)力值范圍在20～100 MPa。

(3)0.1 mm處：A滾壓殘余壓應(yīng)力值范圍在260～285 MPa；B滾壓殘余壓應(yīng)力值范圍在60～160 MPa。

(4)0.3～0.7 mm處：A滾壓殘余壓應(yīng)力值均大于360 MPa；B滾壓殘余壓應(yīng)力值除了在0.7 mm處之外，均小于400 MPa。

7 分析討論

表2 不同機(jī)加工與滾壓的殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)

由斷口的掃描電鏡分析結(jié)果可知，該曲軸4P軸頸處開裂為多源疲勞開裂。疲勞開裂的啟動主要與軸頸部溝槽表面的細(xì)微缺陷及較高應(yīng)力相關(guān)。當(dāng)曲軸軸頸處于較高應(yīng)力條件下，加之應(yīng)力集中效應(yīng)，對于表層微觀缺陷必然十分敏感，即裂紋尺寸門檻值較小。若表面存在一些難以克服的一定尺寸的缺陷時，會使軸頸表面處于臨界狀態(tài)，必然會有很大的開裂風(fēng)險。由金相分析可看到，曲軸軸頸轉(zhuǎn)角區(qū)域石墨形態(tài)及石墨分布無明顯異常，也未發(fā)現(xiàn)異常的基體組織及分布，球化率、鐵素體和珠光體的比例等都滿足設(shè)計要求。由硬度測定結(jié)果可知，基體硬度符合相關(guān)技術(shù)要求。由宏觀及微觀組織分析可知，開裂起始區(qū)未見有引發(fā)開裂的冶金缺陷，但可見機(jī)加工留下的表面微觀破裂現(xiàn)象，均布于轉(zhuǎn)角面上。結(jié)合軸頸處應(yīng)力狀態(tài)，顯然表面微觀缺陷擴(kuò)展的啟動主要與應(yīng)力分布及應(yīng)力大小有關(guān)。

關(guān)于殘余應(yīng)力的研究，采用兩家不同的設(shè)備和工藝，兩兩交互測定了滾壓后的殘余應(yīng)力值。該數(shù)據(jù)主要關(guān)注的是0.3～1.0 mm深度范圍，特別是0.5～0.7 mm，參考值為300～500 MPa。經(jīng)研究分析，0～0.3 mm范圍的表面殘余應(yīng)力值影響有限。對于曲軸軸頸處來說，殘余應(yīng)力值的前提條件是正常滾壓后表面應(yīng)該為壓應(yīng)力，正向拉應(yīng)力是不可接受的。試驗后未斷裂的曲軸，其滾壓位置的殘余應(yīng)力值普遍大于發(fā)生斷裂或有裂紋產(chǎn)生的曲軸，當(dāng)然，制樣過程中產(chǎn)生的誤差，特別是切割過程中產(chǎn)生的熱量對于整個曲軸殘余應(yīng)力值的影響同樣存在。由于國內(nèi)殘余應(yīng)力測定設(shè)備和方法等因素有一定的局限性，目前暫未研究制樣過程對測量結(jié)果的影響。

眾所周知，曲軸4P在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受力最大，其圓角處是曲軸應(yīng)力集中最嚴(yán)重的部位，在工作中處于彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的雙重作用下，曲軸的失效，尤其是疲勞破壞一般發(fā)生在曲軸軸頸和曲柄連接的過渡圓角處。因曲軸圓角經(jīng)過滾壓后產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力能夠平衡曲軸加工和工作時的表面產(chǎn)生的拉應(yīng)力，使零件的表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)，殘余壓應(yīng)力的存在可以使裂紋的尖端閉合，同時還可以抑制裂紋尖端的繼續(xù)擴(kuò)展，因此可以提高曲軸的疲勞壽命[4]。結(jié)合掃描電鏡分析可見，斷裂曲軸軸頸轉(zhuǎn)角區(qū)域均可見魚鱗狀表面破裂，但有的啟動開裂，有的延伸成微裂紋，有的未見擴(kuò)展。這就需要在機(jī)加工溝槽處進(jìn)行滾壓處理時，除了盡量減少機(jī)加工刀痕和毛刺，對滾壓力和滾壓道次也進(jìn)行充分地優(yōu)化。優(yōu)化后的機(jī)加工和滾壓工藝經(jīng)后期的多次臺架試驗，未再發(fā)生斷裂問題。

8 結(jié)論

(1)曲軸的斷裂模式為多源疲勞開裂，起源區(qū)域并沒有明顯的鑄造或冶金缺陷，但在軸頸溝槽處存在一定的機(jī)加工刀痕及毛刺，在后期曲軸服役期間誘發(fā)因應(yīng)力集中效應(yīng)導(dǎo)致的開裂。

(2)失效曲軸的硬度、金相均無明顯異常，石墨形態(tài)及分布、球化率、鐵素體和珠光體的比例等均滿足設(shè)計要求。

(3)軸頸機(jī)加工之后的滾壓是曲軸非常重要的工藝，應(yīng)確保該處有正常的殘余壓應(yīng)力，一方面可以提高軸頸處的疲勞壽命，另一方面可以減少機(jī)加工后刀痕及毛刺造成的應(yīng)力集中，避免為微裂紋的形成和擴(kuò)展創(chuàng)造條件。

[1] 馮繼軍，郭文芳．汽車發(fā)動機(jī)曲軸常見的失效形式及原因分析[J]．失效分析與預(yù)防， 2006，2(1) :7- 12.

[2] 鐘曉斌，董琪，史傳岳，等．球墨鑄鐵曲軸斷裂原因分析[J]．鑄造工程， 2014，6: 32- 34.

[3] 任頌贊，葉儉，陳德華．金相分析原理及技術(shù)[M]．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社， 2012.

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收修改稿日期：2016- 06- 27

Failure Analysis and Research on Nodular Iron Crankshaft of Gasoline Engine

Wang Lixin Yuan Feng Mei Benfu Xie Wei

(Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd., Shanghai 201201, China)

A certain type of auto four cylinders naturally aspirated engine crankshaft made of nodular iron cracked during the engine GED test. The fracture surface was analyzed via visual inspection, metallographic analysis and scanning electron microscopy (SEM). The results showed that the fracture was caused by multi-source fatigue, all cracks originated from the rolling groove. Improving the groove machining process and rolling force, reducing the tool marks and burr, will be helpful in reduceing the crankshaft crack during the engine GED test.

crankshaft，nodular iron，graphite，journal，residual stress

王立新，男，高級工程師，研究方向為汽油機(jī)新技術(shù)開發(fā)與工程應(yīng)用