典型案例：汽車曲軸失效分析
曲軸是汽車發動機最重要、最關鍵的零件，也是其核心運動部件。曲軸生產質量的好壞直接影響發動機的性能及壽命。巴西生產的發動機曲軸在運行很短時間后，發生斷裂（見圖1、圖2）。本文通過對斷裂曲軸進行的宏觀、微觀和化學成份等方面的綜合分析，找出失效發動機曲軸斷裂的主要原因，為以后曲軸質量的改進提高提供依據。
1.檢測結果與分析
（1）化學成分分析
試樣的化學成分見表1。從表1中可以明顯看出，化學成分各元素含量符合技術要求。
表1 試樣的化學成分（質量分數） (%)
元素名稱 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | Cu | Al |
技術要求 | 0.35～0.41 | 0.20～0.65 | 1.3～1.65 | ≤0.025 | ≤0.025 | 0.1～0.2 | ≤0.10 | ≤0.20 | ≤0.25 | ≤0.01 |
檢 測 值 | 0.39 | 0.54 | 1.52 | 0.019 | 0.017 | 0.145 | 0.04 | 0.099 | 0.01 | — |
（2）宏觀分析
曲軸在第3連桿斷裂失效，而不是在更高負載的后部第6連桿。裂紋源的位置不在關鍵的感應淬火圓角位置，而是在鍛造面上（見圖2～圖5），因此，故障位置顯示斷裂的根本原因是曲軸的質量問題，而不是由于發動機過載斷裂。
從圖3、圖4可以看出，裂紋由多條裂紋源引發，且裂紋源均在4主軸頸凸臺上部的膀臂上，裂紋面檢查發現光滑的彎曲疲勞破壞，顯示一個非常大的疲勞裂紋增長。由此推斷認為是發動機運行很短時間后，裂紋迅速擴展并最后斷裂。曲軸瞬斷區面積較小，可以判定曲軸在使用過程中受到外力作用并不大，這也說明不是由于發動機過載引起斷裂。
從圖2、圖3、圖5中可以看出，該曲軸第4主軸頸和第3連桿發生拉瓦現象，軸頸拉瓦劃痕較深，軸頸表面顏色較黑。主軸頸斷裂一側的凸臺有燒傷痕跡，但是沒有劃痕現象，其它軸頸較好，無拉瓦燒瓦等痕跡。圖5中用4%的硝酸酒精侵蝕后發現，圓角位置淬火層輪廓良好，軸頸位置有明顯的二次淬火現象。
（3）淬火深度和淬火輪廓分析
第4主軸分解、取樣對淬火層進行檢驗，取樣位置分別見圖6、圖7。1#試樣淬火層輪廓形狀良好，圓角部位淬火層輪廓飽滿圓潤，軸頸部位淬火層有輕微的馬鞍形。2#試樣淬火層輪廓形狀良好，圓角淬火層輪廓圓潤飽滿，而軸頸部位明顯有兩次淬火的痕跡，即二次淬火。
依據GB/T5617－2005《鋼的感應淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測定》檢測方法，對淬火層深度進行梯度檢測，檢測結果見表2。從表2中可以看出，1#、2#試樣圓角位置淬火層深度都滿足技術要求。
1#試樣軸頸位置淬火層深度為0mm，淬火層各個位置HRC硬度都低于49HRC。
2#試樣軸頸淬火層深度大于6mm，從圖7中可以看出，軸頸兩次淬火層重疊，且二次淬火層深度明顯大于一次淬火層。所以2#試樣軸頸淬火層深度檢測的是二次淬火層深度。
表2 4主軸淬火層深度
檢測位置/mm | 1#試樣淬火層深度 | 2#試樣淬火層深度 | ||||
左圓角 淬火層 硬度HRC | 中間淬 火層硬 度HRC | 右圓角 淬火層 硬度HRC | 左圓角 淬火層 硬度HRC | 中間淬 火層硬 度HRC | 右圓角 淬火層 硬度HRC | |
0.5 | 53 | 36 | 54 | 44 | 57 | 41 |
1.0 | 53 | 42 | 54 | 44 | 56 | 44 |
1.5 | 52 | 45 | 54 | 44 | 55 | 45 |
2.0 | 52 | 47 | 53 | 46 | 55 | 45 |
2.5 | 51 | 48 | 51 | 45 | 54 | 45 |
3.0 | 45 | 47 | 48 | 43 | 51 | 44 |
3.5 | 31 | 44 | 28 | 39 | 50 | 43 |
4.0 | 21 | 38 | 21 | 26 | 51 | 23 |
4.5 | — | 21 | — | 22 | 51 | 21 |
5.0 | — | — | — | — | 48 | — |
5.5 | — | — | — | — | 47 | — |
6.0 | — | — | — | — | 48 | — |
淬火深度/mm | 3 | 0 | 3.25 | 2.5 | ﹥6 | 2.5 |
技術要求/mm | ﹥1.8 | ﹥2.5 | ﹥1.8 | ﹥1.8 | ﹥2.5 | ﹥1.8 |
淬火層輪廓深度的檢測結果見表3。從表3中可以看出，圓角和軸頸淬火層輪廓深度都符合技術要求。
表3 4主軸淬火層輪廓深度
檢測位置 | 1#試樣淬火輪廓深度 | 2#試樣淬火輪廓深度 | ||||
左圓角淬 火輪廓深度 | 中間淬火 輪廓深度 | 右圓角淬 火輪廓深度 | 左圓角淬 火輪廓深度 | 中間淬火 輪廓深度 | 右圓角淬火 輪廓深度 | |
輪廓深度/mm | 3.6 | 4.5 | 3.7 | 3.8 | 7.5 | 3.8 |
技術要求/mm | ﹥1.8 | ﹥2.5 | ﹥1.8 | ﹥1.8 | ﹥2.5 | ﹥1.8 |
（4）微觀分析
對1#試樣軸頸淬火層進行金相檢測，發現軸頸表面金相組織主要由粗大馬氏體、少量鐵素體組成，往里則依次出現索氏體、珠光體、鐵素體等組織，具體見圖8。軸頸表面有輕微的脫碳現象，脫碳層最深大約有39μm。
產生這種組織的原因主要是軸頸與軸瓦之間缺少潤滑油，軸頸與軸瓦之間無法形成油膜，造成二者之間干摩擦。當曲軸軸頸和連桿軸頸的油道或油孔堵塞，造成發動機曲軸軸頸與軸瓦之間由于沒有油膜保護而出現嚴重干磨，接觸表面達到極限高溫，曲軸頸與軸瓦之間就相互咬死、燒結，在軸頸表面發生二次淬火及高溫回火。當軸頸表面層的瞬間溫度超過鋼的Ac1點，軸頸表面就會出現二次淬火馬氏體，而在軸頸表層下由于溫度梯度大，時間短，只能形成高溫回火組織。這就是為什么1#試樣淬火區出現索氏體，2#試樣出現二次淬火組織的原因。
2.討論
從化學成分、宏觀斷口、淬火深度和淬火輪廓、淬火層金相組織檢測結果來看，無法找出曲軸斷裂的真正原因。
本文隨后又對斷裂部位進行深入研究，目視檢查發現曲軸1連兩側曲柄鍛造幾何尺寸與各連桿曲柄鍛造幾何尺寸（包括斷裂位置曲柄鍛造幾何尺寸）明顯不同，見圖9。從圖9中可以看出，第一連桿兩側曲柄鍛造幾何尺寸過渡平穩，而其余連桿兩側曲柄鍛造幾何尺寸明顯與圖紙技術要求（圖10）不相符。從圖10中可以明顯看出，實際鍛造輪廓與技術要求相差較大，本應平穩過渡的失效位置，成為有幾何形狀的削弱位置。其中鍛件輪廓削弱最明顯的是在6曲柄，即第3連桿和第4主軸間曲柄。這說明模具設計不合理。
在失效位置切取試樣，進行微觀分析，結果詳見圖11。從圖中可以明顯看出，試樣表面有明顯脫碳現象，脫碳層深度大約有388μm。
脫碳是鋼材加熱時表面碳含量降低的現象。脫碳層的組織特征：脫碳層由于碳被氧化，反映在化學成分上其含碳量較正常組織低；反映在金相組織上其滲碳體（Fe3C）的數量較正常組織少；反映在力學性能上其強度或硬度較正常組織低。
零件上不加工的部分（黑皮部分）脫碳層全部保留在零件上，這將使性能下降，疲勞強度降低，導致零件在使用中過早地發生疲勞損壞。
為驗證疲勞強度，對失效曲軸鍛造曲柄輪廓良好的第1連桿和鍛造曲柄輪廓不好的第6連桿進行彎曲疲勞試驗。結果見表4。從表4中可看出，鍛造曲柄輪廓不好的第6連桿疲勞強度（失效圖見圖12）明顯比鍛造曲柄輪廓良好的第1連桿差。
表4 疲勞試驗
試驗部位 | 扭矩 | 實際循環次數 | 技術要求循環次數 |
1連桿 | 3870 | 1,931,511 | 1×107 |
6連桿 | 3870 | 526,733 | 1×107 |
3.解決措施
（1）改進模具，對與技術要求不符的位置進行改進。
（2）防止脫碳。防止脫碳的對策主要有以下幾方面：工件加熱時，盡可能地降低加熱溫度及在高溫下的停留時間，合理地選擇加熱速度以縮短加熱的總時間；造成及控制適當的加熱氣氛，使呈現中性或采用保護性氣體加熱，為此可改進加熱爐；熱壓力加工過程中，如果因為一些偶然因素使生產中斷，應降低爐溫以待生產恢復，如停頓時間很長，則應將坯料從爐內取出或隨爐降溫；高溫加熱時，鋼的表面利用覆蓋物及涂料保護以防止氧化和脫碳。
4.結語
（1）疲勞斷裂源頭發生在設計不合理的表面而不是加工和淬火的圓角半徑，這表明，設計不合理的表面有一個低于預期的疲勞強度，所以必須在產品設計中加以重視。
（2）在鍛造過程中的控制水平，導致產品的脫碳偏高，表面組織與心部組織產生較大的差異，也是影響產品強度偏低的一個因素，必須加強產品生產的過程控制，保證產品質量的穩定性。
作者：林棟，文登恒潤鍛造有限公司
徐俊峰、鄧軍偉、蔡嬋嬋，天潤曲軸股份有限公司
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