曲軸用非調(diào)質(zhì)鋼38MnVS失效分析

郝震宇，胡芳忠，汪開忠，楊少朋，金國忠，胡乃悅

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

引言

隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，低耗能、低成本、輕量化都成為發(fā)動(dòng)機(jī)的研究熱點(diǎn)。非調(diào)質(zhì)鋼曲軸具有降低產(chǎn)品廢品率、縮短生產(chǎn)周期、降低能耗和制造成本等優(yōu)點(diǎn)，國外曲軸用鋼基本非調(diào)質(zhì)化，國內(nèi)曲軸用鋼也向非調(diào)質(zhì)化方向發(fā)展[1-3]。曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)零部件中關(guān)鍵的構(gòu)件，曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)不僅承受著活塞連桿組往復(fù)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性力，而且長期受彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉壓等循環(huán)應(yīng)力的作用。

此外，在車輛行駛過程中，曲軸更是不可避免地承受著沖擊載荷。因此，曲軸易發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)甚至斷裂，所以要求曲軸材料必須有足夠的強(qiáng)度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度[1-2]。因此，分析曲軸失效斷裂原因，對(duì)于提高曲軸質(zhì)量、使用壽命及安全系數(shù)等具有重要的參考價(jià)值。

目前非調(diào)質(zhì)鋼38MnVS 是國內(nèi)普遍使用的曲軸用鋼，國內(nèi)某企業(yè)采用38MnVS 非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，在進(jìn)行臺(tái)架疲勞試驗(yàn)時(shí)失效，針對(duì)此次失效進(jìn)行分析，找出失效原因，為企業(yè)在后續(xù)生產(chǎn)控制工藝優(yōu)化改進(jìn)提供參考。

1 試驗(yàn)材料

38MnVS 圓鋼規(guī)格為Φ178 mm，力學(xué)性能見表1，圓鋼經(jīng)過加熱→鍛造→噴丸→感應(yīng)淬火工藝后進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，成分見表2。疲勞試驗(yàn)過程中發(fā)生失效，失效部位為拐角、打字號(hào)及油管三處，對(duì)疲勞失效的源區(qū)進(jìn)行取樣分析。

表1 38MnVS力學(xué)性能

表2 38MnVS化學(xué)成分%

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 宏觀形貌

圖1為拐角、打字號(hào)和油管三處失效源區(qū)位置，由圖1可見，疲勞斷口呈明顯的疲勞裂紋特征，分為源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。通過分析，未發(fā)現(xiàn)源區(qū)存在明顯的宏觀塑性變形，起裂源區(qū)均位于應(yīng)力較集中的位置，其中油管處斷口有兩處疲勞源；擴(kuò)展區(qū)可見明顯的疲勞紋特征，整個(gè)斷口大部分均為擴(kuò)展區(qū)；瞬斷區(qū)域斷口呈金屬光澤，斷口參差不齊，未見明顯異常。

圖1 38MnVS斷口宏觀形貌

2.2 微觀組織分析

對(duì)失效斷口采用Quant200 型掃描電鏡進(jìn)行觀察分析，掃描圖片見圖2。圖2（a）為疲勞裂紋源從拐角處起裂，裂紋起裂源區(qū)表面可見明顯凹坑缺陷，為噴丸坑，裂紋源區(qū)未見明顯冶金缺陷，裂紋擴(kuò)展過程中未見明顯二次起裂現(xiàn)象；圖2（b）為打字號(hào)根部位置起裂，裂紋起裂源區(qū)可見明顯凹凸不平缺陷，裂紋源區(qū)未見明顯冶金缺陷，海灘狀疲勞區(qū)可看到呈放射狀的疲勞輝紋；圖2（c）為油管孔表面靠近淬硬層底部位置起裂，油管處形貌光滑，出現(xiàn)凹凸不平缺陷。

圖2 C38MOD斷口源區(qū)掃描形貌

圖3 為疲勞斷口擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌，由圖3 可知，拐角、打字號(hào)及油管處三個(gè)位置的擴(kuò)展區(qū)，均呈現(xiàn)出材料疲勞斷裂特征，疲勞裂紋擴(kuò)展以準(zhǔn)解理斷裂機(jī)制擴(kuò)展。觀察裂紋擴(kuò)展路徑，可見明顯硫化物聚集，擴(kuò)展區(qū)硫化物在裂紋擴(kuò)展過程中被切割，部分硫化物處出現(xiàn)二次起裂現(xiàn)象。

圖3 C38MOD斷口擴(kuò)展區(qū)掃描形貌

利用線切割在4 個(gè)不同裂紋源區(qū)（其中油管斷口有兩個(gè)起裂源區(qū)）縱向剖開，試樣經(jīng)制樣、砂紙磨光、機(jī)械拋光后，再用硝酸酒精（4%體積分?jǐn)?shù)）腐蝕，采用金相顯微鏡對(duì)微觀組織進(jìn)行分析，金相照片見圖4。由圖4可以看出組織均為鐵素體+珠光體組織。拐角處及打字號(hào)處均存在脫碳現(xiàn)象（圖4a，圖4b），脫碳層厚度在150～180 μm，脫碳層的厚度顯著影響材料的疲勞性能，打字號(hào)位置脫碳層有明顯變形，容易造成應(yīng)力集中，成為起裂源；油管源區(qū)無脫碳，在油管源區(qū)A處有部分明顯大顆粒晶粒（圖4c），油管源區(qū)B 處組織不均勻，異常大顆粒晶粒在起裂位置，與基體連續(xù)性差，容易造成應(yīng)力集中，成為裂紋源。

圖4 C38MOD源區(qū)縱向剖開金相組織

2.3 淬硬層分析

測(cè)定3個(gè)試樣斷口表面淬硬層和曲軸基體顯微硬度，顯微硬度的測(cè)定采用維氏硬度，壓力選擇0.2 kg，淬硬層步長0.1 mm，結(jié)果見圖5。由圖5 可見，淬硬層硬度在530～600 HV，淬硬層深度在5.5～6 mm。3 個(gè)斷口位置的淬硬層硬度差別不大，其中打字號(hào)位置斷口過渡區(qū)硬度偏低，其他未見明顯異常。對(duì)淬硬層進(jìn)行微觀組織觀察，金相組織見圖6。由圖6 可見，淬硬層表面組織為馬氏體組織，未見殘余奧氏體及貝氏體，馬氏體尺寸粗大，最大馬氏體評(píng)級(jí)達(dá)到5級(jí)。

圖5 不同位置斷口附近淬硬層及基體硬度

圖6 不同斷口位置附近淬硬層組織

3 分析與討論

發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)過程中與實(shí)際運(yùn)行中承受同樣復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)載荷和一定的沖擊載荷，疲勞斷裂為主要的失效方式，裂紋源發(fā)生在容易應(yīng)力集中的拐角、打字號(hào)以及油管處[6]。通過對(duì)斷口形貌特征分析可知，該曲軸的斷裂是一種常見的失效模式，其性質(zhì)為彎曲-扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂[7]。

根據(jù)分析結(jié)果可知，造成此次曲軸疲勞斷裂主要由以下兩點(diǎn)因素：

（1）加工缺陷的影響。感應(yīng)淬火后，曲軸工作表面的組織為針狀馬氏體組織，這種組織的特性主要為良好的沖擊及耐磨性、較高的強(qiáng)硬度，雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示馬氏體粗大，最大達(dá)到5級(jí)，但顯微硬度合格，能夠提供較好的抗疲勞性能，所以在圓角處并未出現(xiàn)失效斷口。拐角處以及打字號(hào)處由于表面不平整，很容易造成應(yīng)力集中，從發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中的受力情況來看，曲軸不僅承受著周期性變化的力，同時(shí)受復(fù)雜的交變應(yīng)力作用，進(jìn)而導(dǎo)致曲軸產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)[8]，因此油管孔處也是曲軸應(yīng)力集中最嚴(yán)重的區(qū)域，該區(qū)域發(fā)生疲勞破壞的概率較大。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)拐角處的微觀變形嚴(yán)重，很可能是加工過程中由于操作不當(dāng)產(chǎn)生肉眼不可見的細(xì)小變形或者凹坑缺陷，當(dāng)曲軸在彎矩和扭矩共同作用下，這些應(yīng)力集中的區(qū)域萌生了主裂紋源，疲勞源隨著交變應(yīng)力的不斷變化而擴(kuò)展，并產(chǎn)生次生裂紋，裂紋擴(kuò)展中在斷口形成疲勞條帶和放射狀條帶。建議改進(jìn)曲軸加工工藝，保證曲軸材料加工過程中減少拐角、打字號(hào)以及油管位置的微變形。

（2）粗大晶粒的影響。選擇合適的非調(diào)質(zhì)鋼合金成分，并且需要與其成分相適應(yīng)的熱加工參數(shù)及冷卻條件，通過合理的鍛壓熱加工工藝，可使鋼中的沉淀相析出并且得到較細(xì)的晶粒，從而達(dá)到保持較高韌性的同時(shí)提高強(qiáng)度的目的，這是非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)韌化機(jī)理和特點(diǎn)[9]。若材料本身組織不均勻，會(huì)造成當(dāng)材料受力過程中，異常粗大的晶粒與基體抗變形能力不一致，造成曲軸材料的抗變形能力差[10]。當(dāng)粗大晶粒與周圍晶粒大小明顯不一致時(shí)，異常粗大晶粒相當(dāng)于夾雜物的存在，使材料的強(qiáng)度和塑性大大降低，這是由于異常粗大晶粒同樣會(huì)嚴(yán)重破壞金屬基體的連續(xù)性。這種組織上強(qiáng)度和塑韌性的不協(xié)調(diào)很容易在晶界處引起應(yīng)力集中，而使這些區(qū)域成為潛在的微裂紋源，導(dǎo)致曲軸材料疲勞強(qiáng)度的降低。

4 結(jié)論

（1）曲軸用非調(diào)質(zhì)鋼38MnVS 疲勞試驗(yàn)失效為疲勞失效。

（2）該曲軸淬硬層維氏硬度為530～600 HV，淬硬層深度5.5～6 mm，組織為馬氏體，淬硬層對(duì)疲勞失效影響不大。

（3）加工缺陷以及異常粗大的晶粒導(dǎo)致應(yīng)力集中，是造成該曲軸疲勞失效的主要原因。