5.0 L 柴油發(fā)動機曲軸斷裂失效分析與優(yōu)化

摘要：針對柴油發(fā)動機曲軸斷裂問題，采用電鏡觀察、金相檢驗和力學性能檢驗等方法，分析曲軸斷裂原因，結果發(fā)現(xiàn)曲軸連桿頸表層存在缺陷。缺陷表面有明顯的脫碳現(xiàn)象，表明缺陷處曾在高溫下與空氣充分接觸，其原因是煉鋼澆鑄過程形成的水口結瘤脫落入鋼材中，導致原材料棒材狀態(tài)本身存在缺陷。為此，對浸入式水口結構進行優(yōu)化設計，將浸入式水口出口角度設計成35°，水口出口采用圓形設計，以增加澆筑面面積，并通過凹陷底部設計來減少因澆筑速度過大而產(chǎn)生的回流區(qū)比例。結果表明：增大出口角度以及凹陷底部和圓形水口出口的優(yōu)化設計，有助于控制水口結瘤，使結瘤率最終穩(wěn)定在1.2% 以內(nèi)，由此解決了曲軸棒材缺陷問題。

關鍵詞：柴油機；曲軸斷裂；電鏡觀察；金相檢驗；水口；結瘤

0 前言

斷裂一般起源于材料內(nèi)部缺陷，如氣孔、夾渣、錯位、疏松、裂紋等，斷裂方式有塑性斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂等。發(fā)動機曲軸在運行過程中的主要失效形式為疲勞斷裂，曲軸斷裂會導致發(fā)動機的損壞并影響行車安全，甚至會造成車毀人亡的嚴重后果。因此，需要對斷裂曲軸進行失效分析，找到曲軸斷裂的根本原因，為曲軸性能的優(yōu)化改進提供依據(jù)，防止同類斷裂現(xiàn)象的再次發(fā)生，從而解決曲軸的斷裂問題。

1 問題描述

某品牌5.0 L 柴油發(fā)動機（以下簡稱“柴油機”）車輛行駛里程為4 213 km，柴油機內(nèi)部有異響，無法行駛。經(jīng)服務站維修人員現(xiàn)場拆檢發(fā)現(xiàn)，曲軸第5 缸處有明顯裂紋，第5 缸連桿瓦燒瓦，連桿嚴重變形，活塞群部有輕微拉傷痕跡。服務站根據(jù)用戶要求更換整機處理，故障曲軸回場分析原因。

2 斷裂原因分析

2. 1 試驗材料和方法

該柴油機曲軸的材料為42CrMo 鋼，毛坯鍛造成型，經(jīng)整體調(diào)質(zhì)后圓角淬火回火處理。用LeicaDMI3000M 型金相顯微鏡觀察材料的熱處理組織，金相試樣先經(jīng)過切割、打磨和拋光后用4% 的硝酸酒精侵蝕樣品表面。用SPETROLAB 型電感耦合等離子體（ICP）光譜儀和HORIBA EMIA-320V2型碳硫儀分析材質(zhì)化學成分。用Buehler 574T 型洛氏硬度計測試硬度。用PHILIP-XL30 型掃描電鏡觀察斷口形貌。用CMT4304 電子萬能材料試驗機進行力學性能試驗。

2. 2 斷口宏觀形貌分析

故障曲軸的全貌如圖1 所示。由圖1 可見，曲軸在第5 連桿頸表面產(chǎn)生裂紋。第5 連桿頸表面裂紋在靠連桿頸的外側，裂紋不通過油孔，如圖2 所示。裂紋往下擴展后的形貌如圖3 所示。

將開裂的連桿頸從圓角處線切割剖開，打開這些裂紋，裂紋打開后又重新拼合起來的形貌如圖4 所示。由圖4 可見大多數(shù)裂紋與軸向呈45°左右。

裂紋起源于連桿頸次表層的一個區(qū)域，如圖5紅色箭頭所圍成的區(qū)域；在裂紋擴展區(qū)，有明顯的疲勞貝紋線，表明曲軸屬疲勞開裂［1］，圖5 中黑色箭頭所指為裂紋擴展方向。由于裂紋較多，形成的斷口復雜，對形成主要斷口的裂紋標記為裂紋1、裂紋2。

將圖5 中右側的裂塊拿開后，裂紋1 所在的斷面如圖6（a）所示，紅色箭頭所指為源區(qū)區(qū)域，黑色箭頭所指為裂紋擴展方向。把從源區(qū)擴展出來的裂紋稱為主裂紋，由圖6（a）可見，裂紋1 實際上與主裂紋大致在同一個斷面內(nèi)，即裂紋1 本身也是主裂紋的一部分。把圖5 中左側的裂塊拿開后，裂紋2 所在的斷面如圖6（b）所示，紅色箭頭所指為源區(qū)區(qū)域，主裂紋先沿著與軸向約呈45°的方向擴展（見圖中右側的黑色箭頭），到了連桿頸中間后，又二次起源，沿著與軸向約呈-45°的方向擴展（見圖中左側的黑色箭頭），也就形成了裂紋2 所在的斷面。

觀察所有斷面，往前追溯其最初的起源部位，發(fā)現(xiàn)均為連桿頸次表層的一個區(qū)域，如圖5、圖6 中紅色箭頭所指區(qū)域，因此重點對源區(qū)區(qū)域進行觀察、分析及檢驗。源區(qū)處的宏觀形貌如圖7 所示，紅色箭頭所圍區(qū)域為源區(qū)，該區(qū)域在宏觀上有明顯的顆粒狀及凹凸不平的特征。

2. 3 掃描電鏡分析

源區(qū)的微觀形貌如圖8 所示。由圖8 可以看出：源區(qū)為細小的韌窩，有些區(qū)域還觀察到界面處分布有夾雜物。

2. 4 材質(zhì)分析

在故障連桿頸上取樣，其化學成分見表1。由表1 可知，曲軸的化學成分符合42CrMo 鋼的標準范圍。

從故障連桿頸旁的曲柄臂上取樣進行硬度試驗及抗拉試驗，結果見表2、表3。由表2、表3 可知，曲軸力學性能符合技術要求。

2. 5 硬度及顯微組織分析

源區(qū)處取連桿頸的縱剖面進行檢驗，其組織形貌如圖9 所示。由圖9 可見：源區(qū)處的組織有全脫碳現(xiàn)象，全脫碳層最深處約0.09 mm；全脫碳層中伴有夾雜物，有的區(qū)域脫碳層已焊合。源區(qū)及附近處的組織為回火索氏體2 級，維氏硬度為290 HV1。源區(qū)附近處連桿頸表面的淬層深3.8 mm，組織為正常的回火馬氏體，洛氏硬度為56 HRC。

2. 6 討論與分析

故障曲軸在車輛行駛4 213 km 時發(fā)生開裂，屬早期開裂。曲軸從第5 連桿頸開裂，連桿頸表面有較多裂紋，但裂紋并不通過連桿頸上的油孔，主要裂紋與軸向約呈45°。打開這些裂紋，斷面上均有明顯的疲勞貝紋線，因此故障曲軸屬扭轉載荷作用下引起的疲勞開裂。

故障曲軸的這些裂紋均不通過油孔，而是從第5 連桿頸次表層起源，裂紋起源部位比較異常。因為在通常情況下，當連桿頸受扭轉載荷作用時，連桿頸油孔處由于截面減少存在應力集中情況，即油孔是結構上的薄弱環(huán)節(jié)，裂紋往往從油孔部位起源導致曲軸扭轉疲勞斷裂（或開裂）。本次故障曲軸的失效模式雖然也是連桿頸發(fā)生扭轉疲勞開裂，但是裂紋卻不通過油孔，而是從第5 連桿頸次表層起源。經(jīng)檢測分析，發(fā)現(xiàn)源區(qū)處存在一個缺陷區(qū)域。相比之下，缺陷區(qū)域比油孔部位更薄弱，正因為如此，裂紋選擇從相對更薄弱的缺陷區(qū)域優(yōu)先起源，而不是從油孔部位起源。

斷口分析表明，位于第5 連桿頸次表層的源區(qū)區(qū)域在宏觀上呈明顯的顆粒狀、凹凸不平的特征。電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，源區(qū)存在細小的淺韌窩，有些界面處還分布有夾雜物，判斷這些界面處的結合力已明顯弱化，成為斷裂擴展的優(yōu)先通道。金相檢驗發(fā)現(xiàn)，源區(qū)處的組織有全脫碳現(xiàn)象，全脫碳層最深處約0.09 mm，表明曲軸連桿頸次表層在使用前就已經(jīng)存在缺陷。有的區(qū)域觀察到脫碳層已經(jīng)被焊合，結合曲軸的工藝流程分析，這種焊合現(xiàn)象發(fā)生在高溫鍛壓過程中，雖然缺陷表面的脫碳層發(fā)生了焊合，但是焊合后的界面處畢竟還是薄弱環(huán)節(jié)，因此，這些界面處仍然是裂紋優(yōu)先起源的部位。

觀察了源區(qū)缺陷與金屬纖維流線之間的關系，發(fā)現(xiàn)各個視場下缺陷的分布方位與流線之間分別呈不同角度，但未觀察到缺陷周圍的流線順著缺陷分布的情況，因此可排除缺陷屬折疊的可能。根據(jù)缺陷表面存在明顯的脫碳現(xiàn)象判斷，缺陷表面曾在高溫下與空氣充分接觸，形成嚴重的脫碳層。

綜上所述，缺陷表面存在明顯的脫碳現(xiàn)象，表明缺陷處曾在高溫下與空氣充分接觸，其原因應為原材料棒材狀態(tài)本身存在缺陷（主要是由煉鋼澆鑄過程形成的水口結瘤脫落入鋼材中導致的缺陷）。

3 優(yōu)化方案

通過對浸入式水口結瘤的研究［2］，發(fā)現(xiàn)浸入式水口的安裝工藝、材料、烘烤溫度等都對水口結瘤起到了至關重要的影響。當用1 380 ℃烘烤時，水口結瘤率相比1 200 ℃時出現(xiàn)明顯下降，對比效果如圖10 所示。

根據(jù)水口結瘤形成的特點，通過浸入式水口結構上的優(yōu)化設計，達到減少或消除結瘤的目的。具體浸入式水口結構的優(yōu)化為：浸入式水口出口角度設計成35°，水口出口采用圓形設計來增加澆筑面的面積，并通過凹陷底部設計來減少因澆筑速度過大而產(chǎn)生的回流區(qū)比例，同時圓形水口出口有助于結晶器液位波動的控制，降低氧化鋁堵塞水口的風險［3］。

4 效果驗證

通過浸入式水口的結構優(yōu)化，使得結瘤率最終穩(wěn)定在1.2% 以內(nèi)（如圖11 所示），解決了曲軸棒材缺陷問題。改進的曲軸在某型號的柴油機上進行了全速全負荷的800 h 可靠性驗證。試驗結束后拆解柴油機檢查，曲軸一切正常。20 多萬臺優(yōu)化后的柴油機使用驗證，沒有因結瘤而導致的曲軸斷裂故障外反饋，證明該優(yōu)化方案有效可行，解決了曲軸因結瘤斷裂的問題。

5 結語

本文針對5.0 L 柴油機曲軸斷裂問題，利用宏觀形貌、顯微組織、硬度測試等對曲軸斷裂進行了分析，判斷曲軸斷裂是由煉鋼澆鑄過程形成的水口結瘤脫落入鋼材中導致的缺陷引起的。優(yōu)化浸入式水口出口角度，將其設計成35°，水口出口采用圓形設計來增加澆筑面的面積，并通過凹陷底部設計來減少因澆筑速度過大而產(chǎn)生的回流區(qū)比例。結果表明：通過增大出口角度、設計凹陷底部和圓形水口出口，實現(xiàn)了水口結瘤率的控制；通過浸入式水口結構的優(yōu)化，結瘤率最終穩(wěn)定在1.2% 以內(nèi)，有效解決了曲軸因結瘤而導致的斷裂問題。

參考文獻

［ 1 ］ 陳南平， 顧守仁， 沈萬慈. 機械零件失效分析[M]. 北京：清華大學出版社，1988.

［ 2 ］ 季晨曦，鄧小旋，羅衍昭，等. 板坯連鑄橢圓形出口浸入式水口開發(fā)與應用[C]//第四屆全國連鑄工藝技術學術年會. 太原：中國金屬學會，2017.

［ 3 ］ 閆文濤，李勤. 山西冶金[M]. 山西：山西冶金出版社，2020.