柴油機凸輪軸斷裂失效分析

■ 張懷青，關慧歡，魏聰，劉國柱

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1.概述

某柴油機凸輪軸在中頻感應淬火后的彎曲校直過程中，出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，斷裂部位在凸輪根部。隨后抽查半成品凸輪軸進行著色顯影試驗，發(fā)現(xiàn)在凸輪基圓R處有明顯的裂紋，如圖1所示。該凸輪軸材料牌號是QT600-3，主要生產工藝流程：鑄造(正火) →機加工→去應力退火→表面淬火→彎曲校直→回火→機加工等。

2.結果分析

（1）化學成分 采用OBLF直讀光譜儀對斷裂部位的化學成分進行分析，結果如附表所示，符合GB/T1348—2009標準。

（2）體視分析 在體視顯微鏡下觀察凸輪軸的斷口形貌，如圖2a所示?？梢钥闯鰯嗫谄街薄⒐饬粒瑳]有明顯的宏觀塑性變形，并且有3個區(qū)域，分別是表面a區(qū)顏色較暗，與中間b區(qū)有明顯的分界線，里面c區(qū)顏色亮白，為新鮮斷口；對凸輪根部加工區(qū)域放大觀察，如圖2b所示，發(fā)現(xiàn)有明顯的疏松。進一步觀察裂紋沿深度擴展的截面，裂紋曲折、剛勁有力、沿晶分布，如圖3所示，可見斷口屬于脆性斷裂。由此，初步判斷為凸輪軸在鑄造過程產生的原始缺陷。

圖1 凸輪軸斷裂及裂紋部位

凸輪軸化學成分（質量分數） （%）

圖2 凸輪軸斷口形貌

圖3 凸輪軸裂紋形貌

圖4 凸輪軸斷口掃描電鏡照片

（3）掃描電鏡觀察 采用配備有X射線能譜儀的Zeiss EVO18掃描電子顯微鏡觀察凸輪軸斷口形貌，如圖4所示。圖4a～c分別與圖2中的區(qū)域位置相對應。從圖4中可以看出，a、b區(qū)域表面已經被覆蓋一層物質，經能譜分析為氧化物，且a區(qū)域的氧含量為28%，b區(qū)域氧含量為13.8%，c區(qū)域氧含量為11%（見圖5）。說明a區(qū)域氧化較為嚴重，為去應力退火前產生的裂紋，b區(qū)域為在淬火過程中，裂紋繼續(xù)擴展，后續(xù)回火加熱，導致氧含量相對減少，c區(qū)域為新鮮斷口，氧含量最小。a、b區(qū)域氧含量相差較大，是因為a區(qū)域經過去應力退火和回火兩次加熱，b區(qū)域只經過一次回火加熱，且去應力退火加熱溫度高于回火溫度。

（4）金相分析+硬度分析 對斷口腐蝕、拋光，觀察金相組織，如圖6、圖7所示。拋光態(tài)石墨，球化率良好；金相組織為極少量鐵素體+珠光體+馬氏體的混合組織。采用HR-150A型洛氏硬度計測試，凸輪表面硬度為53.5HRC，滿足感應淬火48～55HRC的圖樣技術要求。

對凸輪軸心部基體腐蝕、拋光，觀察金相組織，如圖8所示?；w為珠光體+少量鐵素體（＜5%）+球狀石墨，石墨球化級別為2級。同時，可以看出，凸輪軸鑄造后基體組織中的珠光體含量近95%，滿足圖樣技術要求（珠光體含量≥75%）。但該珠光體是鑄造后直接得到的，未經過正火處理，與圖樣要求不符。采用HB-3000型布氏硬度計測試三點心部硬度，分別為259HBW、263HBW、272HBW，滿足圖樣220~290HBW的技術要求。

根據相關資料介紹，珠光體含量在90%以上時，可使疲勞強度下降，由于凸輪軸在搬運或加工過程中，受到碰撞，易產生微觀裂紋；同時，凸輪軸本身結構中的凸輪基圓與主軸過渡圓角R較小，易產生應力集中；在機械加工過程中，由于組織應力和機加工應力的疊加，最終導致該處產生裂紋。

圖5 凸輪軸斷口能譜分析

圖6 斷口表面腐蝕態(tài)金相組織

圖7 斷口表面拋光態(tài)金相組織

圖8 心部金相組織

3.結語

凸輪軸斷裂原因為存在原始鑄造缺陷，在加工過程中組織應力和機加工應力疊加，在凸輪根部應力變化較大的部位產生裂紋，中頻感應淬火過程中裂紋繼續(xù)擴展，導致表面顏色較暗區(qū)域分為兩部分。在后續(xù)的彎曲校直過程中，凸輪軸受力進一步增大而斷裂。