柴油机曲轴断裂分析.doc

目 录摘 要 .第一章 绪论 . .1 1.1 引言 .11.2 失效分析的发展简况 .21.3 本课题的背景和意义 .31.4 本课题的主要工作内容和研究方法 .3 1.4.1 本课题的主要工作内容 .3 1.4.2 本课题的研究方法 . 3第二章 失效分析的方法 .42.1 失效分析概况 .4 2.1.1 失效分析的基本概念 .4 2.1.2 失效的主要来源及模式 .42.2 常用失效分析方法及技术 .6 2.2.1 常用失效分析方法 .6 2.2.2 常用失效分析技术 .72.3 本章小结 11第三章 mwm_v6型柴油机曲轴断裂原因分析 123.1 实验结果与分析 12 3.1.1 断裂宏观检查 12 3.1.2 裂纹源处断口分析 13 3.1.3 金相检验 13 3.1.4 轴颈表面残余应力测定 143.2 讨论 .153.3 对改进柴油机曲轴质量的意见 153.4 本章小结 .16第四章 mwm_v12型柴油机曲轴断裂原因分析.17 4.1 实验结果与分析.17 4.1.1断轴宏观检查 17 4.1.2 裂纹源分析 18 4.1.3 裂纹扩展分析 .19 4.1.4 静断区特征 .21 4.2 讨论21 4.3 本章小结. .21结论 .22参考文献 .23致谢 .25摘 要轴类零件几乎是任何机械设备中不可缺少的重要核心零件，其主要功能是支承旋转零件或通过旋转运动传递动力或运动。轴类零件失效将导致机械设备不能正常运行，造成巨大的经济损失，甚至危及人的生命。轴类零件均要经历设计、选材、各种冷热加工和装配等工艺过程，其失效可能是由其中任一工艺的某个环节失误引起，因而轴类零件可能的失效原因往往不止一个或几个，而是几十个甚至更多；失效也经常不是由某一种原因引起，而是多种原因复合作用的结果。 本论文首先简要介绍了失效分析的基本概念、失效的主要来源及模式、常用的失效分析方法及技术和失效的系统分析方法。失效分析技术有感官检查诊断技术、痕迹发现技术、断口和裂纹分析技术、化学成分分析技术、性能测试技术、无损检验技术、宏观残余应力测试。 利用宏、微观分析方法，本论文对两根mwm型柴油机曲轴断裂进行了失效分析，这两根曲轴分别为mwm_v6型和mwm_v12型。mwm_v6型柴油机曲轴断裂原因分析结果表明锻件过热过烧是导致断裂的直接原因；曲轴热处理工艺不规范、不完善，曲轴工作润滑条件不良加速了曲轴断裂。mwm_v12型柴油机曲轴断裂原因分析结果表明该曲轴材料的冶金缺陷是导致疲劳裂纹在正常工作应力下过早形成的原因。同时轴颈表面硬度不均匀，淬硬层分布不甚合理；工作过程中润滑条件较差，促进了曲轴的早期断裂。关键词：曲轴；断裂；过热；失效分析； 第 章 绪 论. 引言早在远古时代，人们对产况，失效就有了宏观认识。产品失效真正给人类带来严重的危害，则是从 100多年前的工业革命开始的。当蒸汽动力和大机器生产给人类社会带来巨大进步的同时，产品失效也给人类带来了前所未有的灾难性事故。因而 1862年，英国建立了世界上第一个蒸汽锅炉监察局，把失效分析作为法律仲裁事故和提高产品质量的技术手段。随后，在工业化国家中，对失效产品进行分析的各种机构相继出现。随着科技的突飞猛进，系统和设备日益复杂，功能不断提高，其不可靠和不安全因素增多，导致故障的原因也增多，因而对故障的分析研究工作亦越来越受到世界各国的关注。工业的发展、技术的进步正是人们不断与产品失效做斗争的结果，这在航空和航天事业的发展史中表现尤为突出。因为即使航天飞机这么先进的运载工具也可能发生故障，如美国的价值 12亿美元的“挑战者”号航天飞机，在1986年1月28日第11次升空时突然爆炸，使七名宇航员遭难，这一惨痛悲剧再次告诫人们忽视产品失效问题将带来灾难性的恶果。任何一次失效都可以看成是产品在服役条件下所做的一次最真实最可靠的科学试验的结果；通过失效分析判断失效模式，找出失效的原因和影响因素 （相关因素），也就找到了薄弱环节所在，从而可以改进有关部门的工作，提高产品质量失效分析是可靠性工程的技术基础之一；是安全工程的重要技术保证之一；是维修工程的理论基础和指导依据；可产生巨大的经济效益和社会效益。因而开展失效分析工作是非常有意义的，其重要性一般包括以下几个方面：1可以保证产品的可靠性，减少由于设备失效造成的人身伤亡和直接经济损失；2可以从中吸取大量经验教训以利制定和完善产品质量管理的有关文件、标准和规程，是产品质量管理的一个重要环节；3有助于及时 “吃透”国外先进技术，提高引进速度、质量和效率；4通过对进口设备的失效分析可以为向外商索赔提供依据或技术仲裁：5可以使设备维修工作建立在失效分析的基础上，从而取得良好的事故预防；6失效分析的结果也是现行技术规范、规程和标准的适用性的实地检验，可作为修订和制订文件的依据；7失效分析的统计资料是制订科技开发规划和经济发展规划的重要依据，失效分析可以为各级人员正确处理现场技术问题提供科学的依据。在我国，由于长期的历史原因，现有设备超期服役带病运行相当普遍，有相当一部分设备存在着各种结构缺陷、工艺缺陷、加工缺陷、制造缺陷、材料缺陷和使用不当产生的裂纹或损伤腐蚀介质影响或长期超载运行等，若盲目使用这些设备而不及时采取措施进行监控和防预，必将发生事故。因而，为了尽量减少事故的发生，需要进行失效分析研究。目前国内关于失效分析方面的研究比较多，大多采用传统的宏观、微观分析法对失效原因进行分析。本文将采用宏观、微观分析法分析两根曲轴的断裂原因。1.2失效分析的发展简况长期以来，人类在生产实践中不断与产品失效作斗争，但失效分析仅作为零星、分散、宏观的经验世代相传。失效分析作为一种学科分支还是近半个世纪的事情。材料科学的兴起、先进测试技术的应用以及近代物理、化学等的全面发展，使得人们能够从微观方面阐明产品失效的本质、规律和原因。在此基础上，失效分析走上系统、综合、理论化的新阶段。近半个世纪所积累的失效分析知识与技术千百倍于人类前期有关知识的总和。但这种知识必然随着人类生产实践和科技进步而不断发展虽然由于科技的发展，产品在设计、生产、使用与维修上的技术改进，使得产品的可靠性日益提高，然而，失效事件并不会最终消失。而且，产品的自动化程度愈高、技术愈密集，一旦出现失效，造成的损失就愈严重。因此失效分析将随着科技的高速发展显得更为重要。远在 1862年英国建立世界第一个蒸气锅炉监察局时，失效分析就被作为法律仲裁产品质量事故的技术判断手段。在 19381945年间，美国质量管理学会发起 “失效废品检验规划”，号召生产企业把失效分析作为重要环节纳入质量管理系统。在四十年代末和五十年代初，为解决电子产品失效问题而发展起来的可靠性理论使失效分析进入到一个新的阶段。到六十年代，人们更开始了机械设备系统可靠性理论的研究。近年来，失效物理和失效分析在这种认识推动下，也得到了很大的重视和发展。失效分析推动科学技术进步，促进国民经济健康发展，提高机械产品质量，在国民经济中有重要作用和意义。1.3 本课题的背景和意义某厂生产的 mwm柴油机曲轴在使用过程中陆续发生断裂事故，这是一个重大的产品质量问题，造成了严重的经济损失，还对该厂的市场销售、质量信誉产生不良影响，因而需要尽快解决这一问题。本课题就是在这个工程背景下，试图对其中两根断轴进行失效分析，以期找到失效的真正原因。1.4 本课题的主要工作内容和研究方法1.4.1 本课题的主要工作内容本文运用宏、微观方法对之进行失效分析，给出mwm_v6、mwm_v12断裂的原因。1.4.2 本课题的研究方法本论文首先对mwm_v6及mwm_v12型柴油机曲轴的断口进行宏观观察，进而利用扫描电镜进行微观断口分析，并采用金相方法分析断口附近的夹杂物，然后利用扫描电镜所带的能谱仪测量夹杂物的成分，最后确证曲轴断裂的原因。第章 失效分析的方法2.1 失效分析概况2.1.1失效分析的基本概念所谓失效，按照国家标准gb3187-82可靠性基本词术语及定义，就是：“产品丧失规定的功能，对可恢复产品通常也称故障”。为了研究失效的原因，确定失效的模式或机理，并采取补救或预防措施以防止失效再度发生的技术活动与管理活动，叫做 “失效分析”。因此失效分析是可靠性工程的重要组成部分，也是保证产品可靠性而需建立的反馈系统的重要环节。失效分析是一门涉及系统分析、系统安全、产v设计、材料力学、断裂力学、断裂物理、断口学、材料学、测试技术、金属学、金属工艺、强度计算、产品质量全面管理等众多领域的综合学科，它包括三个方面：1事前故障的预测技术，如可靠度计算、故障率评价和可靠性分析法2事中故障诊断技术 （应力定量化技术、故障检测及故障征兆诊断技术、设备或系统强度、故障性能定量化及劣化定量化技术等）；3事后失效分析 （寿命预测技术、故障机理、失效模式的测定技术、失效评定的标准、维修技术等）。上述事后失效分析也即是失效分析或故障分析，是指事故或故障发生后的检测和分析，以便找到失效的部位、原因和机理；掌握产品的改进线索或修复方法，防止问题重复发生。近年来，失效分析工作还注意了反馈与发展，在工况与质量上做了不少工作，从事前分析、事后预防发展到事中监控。2.1.2失效的主要来源及模式失效经常是由多方面原因造成的，其主要来源包括设计、选材、材料缺陷、制造工艺、再加工、组装、检查、试验、质量控制、贮运、工作条件、维修和工作中预先未暴露的过载以及机械的或化学的损伤等。1设计上的缺点：机械缺口、改变设计、零件的升级使用、设计判据不充分等。2材料选择上的缺点：拉伸试验数据不准确 （选材的一般判据如表2-1）。3材料中的缺陷：铸件 （冷隔、夹杂物、疏松、空隙和缩孔是铸件特有的），锻件（折叠、接逢、收缩、空洞和锻造流线花样为锻件特有）。4加工中存在的问题：各种冷热加工中的问题。5装配中的失误：操作人员的疏忽行为、装配规程不完善、对中不良。6不合理的服役条件：启动、停车、维修不当。失效模式是失效的外在宏观表现形式和过程规律。金属构件的失效模式可分为断裂、表面损伤和过量变形，这三个大的方面。具体的说，机械失效的主要模式如表2-2。 表 -针对可能的失效机理、载荷类型、应力类型和 指定的工作温度进行选材时应用的一般判据表金属部件的各种失效模式2.2 常用失效分析方法及技术2.2.1 常用失效分析方法 （失效分析的一般程序与步骤）1失效分析的思路失效分析思路是对于己经发生的事故考虑从什么地方开始，沿着什么样的程序去分析研究故障现象的因果关系，确定事故原因，完成分析任务。断裂失效分析思路一般是：断裂失效事故故障件裂纹或断口分析力学性能分析显微组织分析结构受力分析使用维护分析。必要时可进行工艺分析、材料成分分析、环境分析、相结构分析和残余应力分析。断裂失效分析的一般程序 图-断裂失效分析的一般程序失效分析的具体过程（） 调查研究 向机器操作者调查破坏过程，观察破坏现场，了解破坏构件在机器的部位和工作情况。 向生产工人和技术人员调查构件的生产工艺历史和工艺参数。 向设计人员调查构件的设计过程和设计计算。 外观检查，观察破坏构件的外形特征。 服役条件、工作环境等的综合分析。（） 断口分析、断面分析、变形量测定 断裂试样的正确选择及切取。 断口的宏观分析。 断口的微观分析。（） 内在质量的检验 低倍检验：主要检查夹杂、气孔等低倍检查项目。 金相组织分析：检查破断零件的裂纹分布及走向，金相组织是否正常。 材料的化学成分分析：主要复验材料的化学成分是否合乎零件的要求，以及杂质、偏析和可能引起问题的微量元素在材料中的含量及大致分布。 机械性能测定：主要复验材料的常规机械性能是否合格，据构件破坏部位的几何形状、应力分布情况、负载的变化等情况与该类情况下的静动机械性能比较。（） 判明失效的原因：据上面的调查研究及实验检查结果，综合分析造成构件失效的原因。（） 提出改进措施（） 实际运行考验2.2.2常用失效分析技术失效分析技术是指在各种失效分析方法中具体所采用的分析技术和手段。对失效分析对象而言，失效分析技术从总体上可分为非破坏性和破坏性失效分析技术，具体可分为：感官检查诊断技术、痕迹发现技术、断口和裂纹分析技术、化学成分分析技术、性能测试技术、无损检验技术、宏观残余应力测试等。感官检查诊断技术失效分析与医生看病或侦察案件相似，对信息资料既要单独和分类推敲，又要综合分析，通盘考虑，然后提出疑问、假设，进一步有针对性地补充信息资料，多方考核，验证假设，从众多原因中，逐步确定取舍，从而得出可靠结论，并提出切实可行的预防措施，最后在实践中进一步验证。感官检查是一种直观、简洁、使用方便、可靠性好的应用技术。主要依靠人体感官功能和智力、经验的结合来获取、存储、加工处理信息，达到分析目的。它主要包括视觉检查、触觉检查、嗅觉检查等。痕迹发现技术 失效分析中进行宏观、微观分析时都离不开痕迹分析。通过痕迹分析，不仅可对事故和失效的发生、发展过程做出判断，并可为事故和失效分析结论提供可靠的佐证和依据。所谓痕迹分析就是对表面形貌 （花样）的变化、成分的变化 （或材料的迁移）、颜色的变化、表层组织、性能的变化、残余应力的变化、以及表面污染状态的变化等变化特征进行诊断鉴别，找出变化的原因，为事故和机械失效分析提供线索和证据。其主要研究内容是： 研究机械表面上形成痕迹的物理、化学过程 （即机制）； 研究痕迹对机械结构及其功能的影响； 研究不同材料表面性能与痕迹的关系及其在机械失效分析中的应用； 痕迹的理化检验方法； 痕迹的各种预防措施和表面强化或改性技术。在一般情况下，痕迹分析程序是；寻找、发现和显现痕迹；痕迹的提取、固定、显现、清洗、记录和保存；鉴定痕迹 （这是痕迹分析的重点工作）一般原则是由表及里，由简而繁，先宏观后微观，先定性后定量。遵循形貌成分组织结构性能的分析 顺序； 痕迹的模拟再现试验：综合性分析： 做分析结论并写出有建设性意见的报告。断口和裂纹分析技术断口和裂纹分析一般包括宏观分析与微观分析两个方面。前者指用肉眼或 40倍以下的放大镜、实休显微镜对断口或裂纹进行观察分析，可有效地确定断裂起源和扩展方向：后者指用光学显微镜、透射电镜、扫描电镜等对断口或裂纹进行观察、鉴别与分析，可以有效地确定断裂类型与机理。宏观分析和微观分析是不可分割的整体，二者不可互相取代，只能互相补充、互相促进。过分依赖微观分析而不重视宏观分析，只根据几个微观视场的特征就做出判断，往往会导致全局性的判断失误；反之，忽视微观分析只进行宏观分析，则可能得出肤浅乃至错误的结论。断口和裂纹分析技术一般包括：分析对象的确定与显示技术、观察与照相记录技术、识别与诊断技术、定性与定量分析技术及仪器与设备的使用技术等。化学成分分析技术在失效分析中，常常需要对失效零件的材料成分 （包括定牌号、全成分或部分成分）、外来物 （如擦痕或溅射附着物）、表面沉积物、腐蚀生成物及氧化物等进行定性或定量的分析，以便为最终的失效分析结论提供依据。常规分析技术该技术主要用于分析失效零件名义或宏观区域的材料成分，其主要方法有： 湿法化学分析：可准确分析含量较大的金属，阴离子的有无及其浓度； 半定量发射光谱和原子吸收光谱：用于分析合金成分； 燃烧法：用于测定金属中的碳、硫、氢、氮、氧的含量； 点滴法：可简单地定性分析金属中的合金元素、沉淀物、腐蚀产物、土壤等； 红外、紫外光谱：用于检测有机物质。表面及微区分析技术在失效分析中，相对于名义或宏观区域的成分分析，失效零件的材料的表面成分及失效源区的微区成分分析更为重要，尤其是对表面损伤或者由于诸如夹杂、成分偏析等造成的失效。目前主要的分析仪器有：俄歇电子谱仪、离子探针、电子探针、射线能谱仪、射线波长谱仪等。在扫描电镜上可装置俄歇电子谱仪、射线能谱仪、射线波长谱仪等，以满足微区成分分析的需要。铁谱分析技术为了对齿轮等承受摩擦作用的机械零件进行动态监测，美国于1971年研制成功一种实验检测技术铁谱技术 （）。该技术不仅在设备维修、工况监测、摩擦学研究等方面具有理论意义，而且在失效分析、故障诊断等领域中具有重要的实用价值。其分析对象是含有磨损粒子的润滑油，在铁仪的梯度磁场中，磁性和几何尺寸各异的磨损粒子被分离开来。性能测试技术对于一些重大的、复杂的断裂或变形失效，往往必须作力学性能方面的试验分析工作，优先考虑的试验有硬度试验、冲击试验等，若上述试验不足以说明结论意见时，可进一步取样作其它性能试验，如拉伸试验kic，dadn、耐磨性及腐蚀敏感性试验等。无损检验技术无损检验就是应用一些物理现象，在不改变材料或零件形状和性能 （包括机械性能和化学性质）条件下，迅速可靠地确定其表面或内部裂缝和其他缺陷的大小、数量和位置的方法。在失效分析中应用无损检测技术的目的在于： 检查失效件的同批服役件、库存件，防止同类事故的发生，若能查出第二件、第三件，则更有利于失效性质及失效原因的分析判断； 某些容器、管道、壳体，甚至一些复杂形状的系统装置出现裂纹或泄露时，常需要借助于无损检测技术来确定其确切部位，以便取样分析或采取相应的补救措施； 在脆性破坏中，利用无损检验技术来检测监视临界裂纹长度，防止发生脆断。无损检验是一门系统而复杂的新兴学科，其检验方法己有十多类，有的正在不断完善，并向着自动化，提高性能及灵敏度，使用电视装置等方面发展 （如 射线探伤、磁力探伤、超声波探伤等），有的还在发展中。根据无损探伤的原理，其检验方法大致可分为五类：放射性探伤、电磁探伤、声试验法探伤、渗透法探伤和热试验法探伤。宏观残余应力测试金属零件经各种冷热加工 （如切削、磨削加工、装配、冷拔、热处理等）之后，其内部或多或少都存在残余应力。残余应力的存在对材料的疲劳、耐腐蚀、尺寸稳定性都有影响，甚至在服役过程中引起相变。据最近的调查分析，由于残余应力影响或导致的机械零件失效达80以上。因此在失效分析中，常需对机械零部件的残余应力进行测定。宏观残余应力测定方法很多，如电阻应变片法、光弹性复膜法、脆性涂料法、射线法及声学法等。面对如此繁多的失效分析实验检测技术，在进行某项具体的失效分析时该选用哪些检测技术，应根据失效现象的复杂程度，同时考虑失效分析的深度、时间性和经济性；即要依据失效分析的实际需要，检测技术的适用性和经济性选用实验检测技术。2.3 本章小结本章主要介绍了失效分析的基本概念、失效的主要来源及模式、常用的失效分析方法及技术。失效分析技术中主要介绍了感官检查诊断技术、痕迹发现技术、断口和裂纹分析技术、化学成分分析技术、性能测试技术、无损检验技术、宏观残余应力测试。第章 mwm_v6型柴油机曲轴断裂原因分析本章分析了mwm_v6型柴油机曲轴断裂原因，结果表明锻件过热过烧是导致断裂的直接原因；曲轴热处理工艺不规范、不完善，曲轴工作润滑条件不良加速了曲轴断裂。本章还对加强生产过程中的质量管理和失效分析工作提出了意见该mwm_v6型柴油机曲轴，断裂发生于 b1缸连杆轴颈。该曲轴采用42crmoa电渣重熔钢制造，其主要工艺流程为： 下料模锻调质冷加工中频感应淬火回火精磨。大约同期出厂的一批柴油机发生多起类似的断轴事故。中频淬火只对轴颈平直段进行，轴颈与曲柄连接的过渡圆角部位，因后续磨削工艺装备尚未完善而不进行中频淬火处理。按技术条件规定轴颈经表面淬火后，其硬度达5861hrc。mwm机型是我国近年来引进的柴油机系列产品，目前正处于技术消化和应用推广阶段，其生产过程中，因某些工艺环节尚存在不尽完善或不太合理的地方而影响产品质量，导致个别零件早期失效，是在所难免的，属于发展中的问题，需在实践中不断改进，日臻完善，完成国产化进程。但该mwm_v6机因曲轴断裂，使整机寿命只有几十个小时，当属严重的质量事故。对此类事故，若不查明原因，采取改进措施，防止类似事故重复发生，该产品将丧失其机械产品信誉和竞争能力。3.1 实验结果与分析3.1.1 断裂宏观检查该连杆轴颈靠近断口一端严重磨损，表面粗糙，呈焦油色，该区域内的断口表面也呈焦油色整个断口表面较粗糙，部分呈粗糙的贝纹花样，贝纹间隔为3-5mm，属疲劳断裂区；部分为静段区，呈暗灰色，其中两处有石状断口特征。疲劳区约占断口总面积62%宏观断口如图3-1所示。断裂源位于轴颈圆角表面严重磨损的一端，距曲柄平面5mm处，裂缝由曲颈表面开始，一部分沿与轴线成45角方向向曲颈内扩展；另一部分向曲颈内扩展，约10mm之后转折方向，也沿与轴线成45角方向向曲颈内扩展，整个裂缝穿过轴颈上的油孔，最后在轴颈上形成斜断口。轴颈/曲柄圆角处未淬火区为从圆角根部向曲颈内约10mm范围，其硬度为2430hrc；轴颈淬火的表面硬度为4046hrc，心部为2430hrc，显然，该曲轴淬火后的表面硬度远未达到技术要求，其未淬火带尺寸也大于工艺中所要求的（5.7）mm。3.1.2 裂缝源处断口分析裂缝开始于轴颈/曲柄圆角处的非淬火带上，裂缝源处断口平坦、光滑，呈暗灰色；在其一侧有台阶特征，呈放射状，另一侧有贝纹特征的弧线。裂缝源处扫描断口形状如图3-2所示，呈沿晶断裂特征，晶粒粗大。表明裂缝在被削弱的晶界开始并沿晶界快速扩展的情况。3.1.3 金相检验图3-1中箭头所指处为石状断口区，该区距轴颈表面约6mm，在此切取金相试样，在未经侵蚀的颈向截面上，可观察到尺寸非常粗大的晶界氧化物和晶界开裂，如图3-3所示。在图3-3a中夹杂物上选不同形态的二点作能谱分析，结果列于表3-1，表明该夹杂物为氧化物夹杂伸长方向和晶界开裂方向与曲轴流动方向一致，可以认为这些缺陷是存在于锻件中的。 表3-1 晶界氧化物成分（原子百分含量） 对图3-3（a）中氧化物夹杂与基体边界处测定显微硬度，结果列于表2-3，表明氧化物附近基体有轻微脱碳。在该断口附近还可观察到大面积的夹杂物群，如图3-3（c）。图3-1中双箭头所指处切取金相试样，在与轴线垂直的截面上，经饱和苦味酸侵蚀后的组织如图3-4。图中显示的是距轴颈表面约3mm处的情况，晶粒较粗大，沿晶界有大量夹杂物析出（图3-4（a），甚至还有局部晶界开裂（图3-4（b）。该试样经硝酸酒精溶液侵蚀的组织如图3-5，图中显示在淬硬层与心部过度区附近存在大量沿晶界分布的夹杂物质点；能谱分析表明，这些夹杂物系氧化物及硫化物。这是由于终锻温度过高，在锻后停留过程中形成的。表3-2 氧化物显微硬度试样心部较清洁部分的显微组织为回火索氏体组织，如图3-6，图中仍可以比较清楚地沿晶界析出的异向质点。这些调质组织比较粗大，经苦味酸腐蚀后的原奥氏体晶界如图3-7。上述金相分析表明，该曲颈有比较严重的冶金缺陷，如大尺寸，密集分布的夹杂物及晶界开裂等；在轴颈心部晶粒较粗大些，晶界开裂严重，靠近轴颈表面处，晶粒尺寸稍小，开裂也较轻，这与裂纹源处的沿晶开裂相一致；在氧化物夹杂和晶界开裂附近的基体有一定程度的脱碳，根据对锻件缺陷的研究，可以认为该曲轴的上述缺陷是在锻造过程中形成的，并属于过烧。此外，因终锻温度过高，导致奥氏体晶粒粗大且有非金属夹杂物质点沿晶界析出。3.1.4 轴颈表面残余应力测定利用 射线方法测（211）衍射谱线半高宽刀确定轴颈表面残余应力，测试结果表明，在过渡圆角未淬火部位出现残余拉应力约 35mpa，己淬火表面均为残余压应力，轴颈中段残余压应力平均为一800 mpa，如图3-8。 图3-8连杆轴颈表面淬火后沿长度分布残余应力3.2 讨论上述结果表明，该曲轴锻造过烧，导致晶界氧化物和晶界开裂等不可消除的缺陷，是构成石状断口的本质原因。又因终锻温度过高导致大量非金属夹杂物质点沿晶界析出，严重地削弱了晶界结合力，造成材料疲劳强度的严重损伤。裂纹源于曲柄连杆轴颈的过渡圆角处，此处存在应力集中：测得圆角半径，r =6.5mm，根据应力集中手册，该处弯曲应力集中系数为ro1.93，扭转应力集中系数rs1.58。显然，这里应该进行强化。洛氏硬度的测试结果表明，该轴的表面淬火硬度较技术要求低约25%导致材料的疲劳极限也损失约25%；同时热处理工艺中对曲柄轴颈圆角处没有进行淬火处理。从抗疲劳失效的角度考虑，圆角部位是最应该强化的地方，但在本曲轴上却成为最削弱的地方。冶金因素造成的材料损伤与轴颈结构强度特点的迭加，必然在圆角部位首先形成裂纹。前己述及，该曲轴工作过程中润滑不良，轴颈磨损严重，这也必然导致轴颈所受扭矩增大，对于扭转载荷来说，连杆轴颈成为最薄弱环节，裂纹形成后向轴颈内部扩展并表现出剪应力起主导作用的裂纹特征，形成斜断口 。当裂纹扩展到接近最终裂纹尺寸时，将会引起过量变形，从而影响运动精度，随之而来的是震动和噪音加大，磨损加剧，局部温升，抱轴等，以致残留的轴颈截面被扭断。轴颈上和断口上的局部焦油色就是在这一过程中形成的。3.3 对改进柴油机曲轴质量的意见曲轴是柴油机最重要的零件之一，国家规定柴油机曲轴断轴率小于万分之五，但是，目前国产柴油机曲轴断裂 （尤其早期断裂）仍是普遍存在的问题。导致断轴的原因主要是冷、热加工以及配件质量和使用维护等方面的问题。除这些直接原因外，在生产管理方面存在的问题，如对影响产品质量的各环节的管理，充分发挥质检部门的作用，强化失效分析及信息反馈工作等，对实现产品断裂控制有更重要的影响。以本文的曲轴断裂为例，热加工缺陷固然是失效的直接原因，但存在如此缺陷的断件又是如何从铸锻厂流入到柴油机厂的？本应报废的锻件又是如何跟随正品锻件走完全部工艺流程，并通过检验出厂的？同批进厂锻坯的曲轴连续发生的数起类似早期断裂事故，想到我们需要消化吸收新技术以赶超先进水平，看来充分发挥质量管理部门的职能，强化生产各环节和管理部门的质量意识是何等重要！3.4 本章小结（1）该曲轴因锻造过烧造成晶界氧化物和晶界开裂等不可消除的缺陷，这也是造成石状断口的原因；终锻温度过高导致大量非金属夹杂物质点沿晶界析出，严重削弱了晶界结合力，损伤了材料的疲劳强度；这是该曲轴早期断裂的直接原因。（2）该曲轴热处理工艺不规范，非淬火带超差，淬火带硬度不足；热处理工艺不完善，在曲柄轴颈过渡圆角处存在应力集中的地方，也就是在未淬火带上，造成拉应力。（3）该曲轴工作过程中润滑条件不良。第章mwm_v12型柴油机曲轴断裂原因分析本章分析了mwm_v12型柴油机曲轴断裂原因。结果表明该曲轴材料的冶金缺陷是导致疲劳裂纹在正常工作应力下过早形成的原因。同时轴颈表面硬度不均匀，淬硬层分布不甚合理：工作过程中润滑条件较差，加速了曲轴的断裂。该曲轴以1500r/min条件运行时，曲轴突然断裂，累计运转时间约100h拆检发现断裂发生于第6档连杆轴颈，属于典型的早期断裂。该曲轴采用42crmoa电渣重熔钢制造，主要工艺流程为：下料模锻调质冷加工中频感应淬火回火精磨。中频淬火只对轴颈平直段进行，轴颈与曲轴连接的过渡圆角部位，因后续磨削工艺装备尚未完善而未进行中频淬火处理。按技术条件规定，轴颈经表面淬火后，其硬度应达5861hrc。4.1 试验结果与分析4.1.1 断轴宏观检查宏观断口如图4-1：裂纹源（箭头指处）位于连杆轴颈曲柄过渡圆角处，裂纹沿与轴线成45方向穿过曲柄，与对面主轴颈曲柄过渡圆角处相连接。裂纹源距曲柄平面约6mm，恰在 部位的未淬火带上。裂纹源与前方油孔相距约10mm。断口表面有较明显的海滩标记，表明该断裂属于疲劳断裂。将断口表面近似看作平面，估计疲劳区约占断口总面积的60%，断裂时裂纹深度约37mm，可见该断裂应力较高，或者材料韧性水平相对较低。仔细观察裂纹源区，其宏观特性如图4-2，表面较平坦，其尺寸在距表面2.5mm范围内 （图4-2中处）：在较平坦和光滑的表面上尚有三个小台阶，这可理解为在扭矩作用下形成的棘状特征形貌，只是未得到充分发展。在裂纹源左侧约5mm处（图4-2中点）有一局部静断特征区，其形貌特征为由表面向内发散的放射花样，深约7.5mm。在裂缝源右侧有一局部区域（图4-2中c处）断口表面较粗糙，用放大镜观察可看到有暗灰色凸起或凹坑，推测为夹状物折断特征。从断口表面特征看，裂缝源周围较平坦，说明裂缝在连杆轴颈/曲柄圆角处开始之后主要在弯曲应力条件下扩展，当裂缝扩展到一定少年度后，开始形成棘状特征花样，表明此时，扭转载荷裂缝扩展已发挥可观的影响。轴颈表面磨损较严重，并有不同程度的焦油痕迹，这表明曲轴运行时，润滑条件欠佳，曾经短时过热。侧得曲柄厚度为23.7mm。在主轴颈表面打洛氏硬度，结果如图4-3a；主轴颈径向剖面硬度如图4-3b，表明轴颈表面硬度分布不均匀，硬度值偏低。用橡皮泥复制轴颈/曲柄圆角处的曲率，测的r值，并查得弯曲和扭转应力集中系数：连杆轴颈/曲柄：r=5.7 ktb=2.1 kts=1.65主轴颈/曲柄： r=6.5 ktb=2.1 kts=1.65断口宏观观察表明，该曲轴断裂属于疲劳断裂，该疲劳断裂是在弯曲和扭转联合作用下发展的：批来初期，弯曲应力对过程起控制作用，继续扭转对断裂过程发挥重要影响；非金属夹杂物对断裂过程有重要影响；曲颈表面硬度不均匀，淬硬层分布不甚合理；工作过程中润滑条件较差。曲颈r部位应力集中不严重。4.1.2 裂缝源（裂缝形成与初期扩展）分析按疲劳断裂机理和材料缺陷或加工缺陷的影响，裂缝可以再任何一应力水平高于材料强度的局部地方形成，即形成裂缝能够源。在弯曲或扭转载荷作用下，裂缝源通常位于零件表面，表面不连续或者存在材料缺陷的地方。对图4-2中a处进行扫描电镜观察，其形貌如图4-4，图4-4上部即曲颈表面，图中右上向下即为又曲颈表面向中心方向。可以看出在曲颈表面约0.3mm范围内，即裂缝开始形成时，主要表现沿晶断裂形式。因此可以理解为裂缝在疲劳应力下形成，但静载断裂机制在其中扮演了非常重要的角色。仔细观察，晶界污染非常严重，有大量非金属夹杂物质点沿晶界析出。对图4-2中b处观察，断口形貌如图4-5a，可见断裂面上遍布了非金属夹杂物，这里断裂阻力甚小，在向邻区域（a处）已形成疲劳裂纹的情况下，由于应力集中作用，只在疲劳应力作用下，即可引发局部裂纹的迅速扩展，形成前述的局部由表面向内部的放射特征形貌。这也是轴颈硬度不均匀和裂纹形成寿命相当短的原因所在。该区稍往内偶尔也可观察到疲劳特征，如图4-5b，在微孔型 图4-3 主轴颈硬度测试结果沿晶断裂基础上，局部有明显的疲劳条纹。对图4-2中c处观察，断口形貌如图4-6；主要特征与前述a 处和b处大体相同。将该局部制成金相试样，未经侵蚀时的形态如图4-6，可见有夹杂物尺寸较大，分布集中等特点；与astm标准图谱对比得该夹杂物的级别为b，这些大尺寸的夹杂物折断后，在断口处将留下凸起或凹陷，无金属光泽。又裂纹源及其附近区域断口的分析可知，曲轴材料中含有大量的非金属夹杂物应该对疲劳裂纹形成负责；大量非金属夹杂物的存在严重降低了材料强度，导致在正常工作应力下疲劳裂纹过早形成与扩展；裂纹一旦形成，便构成了新的应力集中因数，对其周围材料的断裂发挥影响，导致裂纹的不断发展在该曲轴中，由于裂纹源附近地区也含有大量密集的和大尺寸的非金属夹杂物。材料强度、塑性和韧性受到严重影响，因此由裂纹源向其相邻区域（如图4-2中的b和c）的扩展是快速的，主要表现为静断特性，裂纹源附近的断裂顺序（参见图4-2）为首先裂纹源形成，其次向b和c 发展，a-b-c实现连联之后，以此较大面积裂纹（即宏观裂纹）为基础，在曲轴疲劳应力下继续扩展。4.1.3 裂纹扩展分析对图4-1油孔前方疲劳特征区（海滩花样）扫描观察，其形貌如图4-7，显示处夹杂物弥漫，二次开裂严重，几乎丧失金属断口特征，很象应力腐蚀断口上的泥裂花样。可见该轴由表面到心部都遭到非金属夹杂物的严重污染。将该断口近视为平面断口，其应力强度因子一般表达式为：式中f为自由表面影响系数，为第二类完全椭圆积分。据newman-raju，对于拉伸和弯曲载荷，导出了包括裂纹深度，裂纹长度，板厚即板宽等系数的f表达式：查表得： 计算得： 将计算结果代入（4-1）：根据paris公式：距文献15，对淬火回火钢的保守方程为：由宏观分析得： 计算得： 经折合，曲轴工作约1.8hr。从整体上说，材料强度、塑性和韧性军剧烈恶化从而导致裂纹扩展抗力几乎完全丧失，这也是裂纹扩展寿命很低的根本原因。由于轴颈内部被大量非金属夹杂物污染，该断口已丧失了调质钢疲劳断口基本特征，因此已不具备调质钢的性能，疲劳抗力当然也不例外。4.1.4 静断区特征对静断区扫描观察，断口形貌如图4-8所示，a表示为严重的沿晶开裂，几无塑性可言。对某些晶界裂纹仔细观察如图4-8b，显示出晶界熔化特征，因此可认为该钢锻造时曾经过烧。4.2 讨论上述宏微观检验与分析表明该曲轴钢锻造时发生过烧。据文献18，同一钢种的电渣重熔钢比电炉钢的过热温度低，晶粒容易粗化。毛坯锻造时，加热温度过高必然导致过热和过烧；其后果为：一方面使晶界氧化，形成大量氧化物沿晶界分布，削弱了晶界结合力，成为在服役过程中沿晶界断裂的原因；另一方面，在局部地方发生晶界熔化，成为层状断口或非金属夹杂物断口的原因；由于过热过烧引起的冶金缺陷还使钢材热处理后硬度分布不均匀。从金相分析看出该曲颈表面淬火层分布不尽合理，这当然应该归因于热处理工艺不合理。这种热处理方面的缺陷当然对断裂有影响。但退一步讲，即使热处理工艺再完美，也不能使非金属夹杂物具有钢的性质，也不能改变“层状”夹杂物之类的冶金缺陷的分布形式。也就是说，柴油机厂的种种泠热加工，不可能把一个因冶金缺陷报废的锻件毛坯加工成性能合格的零件。由此不能不沉重的认识到，如果能及早发现锻件质量问题，予以报废，便省去了机器制造厂的所有加工，以及以废品充当正品出厂给用户造成的损失和因此造成产品信誉方面的影响。mwm机型是我国近年来引进的柴汕机系列产品，目前正处于技术消化和应用推广阶段。在此过程中，因某些工艺环节尚存在不尽完善或不太合理的地方而影响产品质量，导致个别零件早期失效是在所难免的。这属于发展中的问题，只需在实践中不断改进，日臻完善。但该mwm_v12机因曲轴断裂使整机