趙 陽，呂夢國，姜全會，陳禮清，劉相華

（1.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧沈陽，110819；2.遼寧五一八內(nèi)燃機配件有限公司，遼寧丹東，118009）

6DF1曲軸屬于大馬力柴油機發(fā)動機用曲軸，在服役過程中偶爾發(fā)生早期斷裂，嚴(yán)重影響該產(chǎn)品的使用。為避免6DF1曲軸斷裂事故的發(fā)生，為曲軸的使用提供安全保障，有必要對其斷裂原因進(jìn)行深入分析。本文主要利用斷口形貌觀察和化學(xué)成分分析，結(jié)合金相檢驗和力學(xué)性能測試等方法，對6DF1曲軸發(fā)生斷裂的原因進(jìn)行研究。

1 試樣的選取

現(xiàn)有一6DF1曲軸在服役過程中發(fā)生了早期斷裂，其斷裂位置位于連桿軸頸處，與大多數(shù)早期斷裂的6DF1曲軸斷裂位置及斷裂方式一致，具有一定的代表性，因此本研究選擇該曲軸來分析6DF1曲軸斷裂失效的原因。6DF1曲軸一般使用42Cr Mo鋼模鍛生產(chǎn)，其主要生產(chǎn)工藝流程為：加熱→鍛造→切邊→扭拐→調(diào)質(zhì)處理→粗加工→去應(yīng)力退火→圓角淬火→回火→精磨加工→磁粉探傷→入庫。

2 檢測

首先對6DF1曲軸的斷口進(jìn)行宏觀分析，以確定其失效形式；然后在曲軸的斷裂位置附近利用線切割取樣、機加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣，分別進(jìn)行斷口的微觀形貌觀察、化學(xué)成分分析和金相組織檢驗，并對圓角淬火處理后的硬化層深度進(jìn)行檢測和力學(xué)性能測試。

主要測試儀器包括：LEICA Q550IW光學(xué)顯微鏡、FEI QUANTA 600掃描電子顯微鏡、JEOL JXA－8530F場發(fā)射電子探針顯微分析儀、FM－700顯微硬度計、CMT5105微機控制電子萬能試驗機和INSTRON DYNATUP 9250HV落錘式?jīng)_擊試驗機。

3 檢測分析結(jié)果

圖1 6DF1曲軸的宏觀斷口照片F(xiàn)ig.1 Macro－morphology of the fracture surface of 6DF1 crankshaft

3.1 斷口的宏觀形貌

圖1為6DF1曲軸斷口的宏觀形貌照片。由圖1中可見，該曲軸的斷裂發(fā)生在連桿軸頸部位，且斷口上有明顯的貝紋線特征，表明該曲軸的斷裂方式屬于疲勞斷裂。在疲勞裂紋擴展后期，曲軸斷口上出現(xiàn)了裂紋迅速擴展的放射狀跡線。根據(jù)貝紋線的弓出方向和放射狀跡線的擴展方向，可以確定疲勞裂紋源位于圖1中箭頭所指處，該位置位于連桿軸頸內(nèi)部，距離連桿軸頸表面為4.8 mm。注意到這類斷裂的裂紋源位于連桿軸頸的內(nèi)部，而一般曲軸斷裂的裂紋源位于表面，這種差異在進(jìn)行該曲軸失效分析時應(yīng)予以考慮。

3.2 斷口的微觀觀察

圖2為6DF1曲軸疲勞源區(qū)的SEM形貌照片。雖然斷口有些氧化，但仍可以看出在疲勞源區(qū)（圖2中的圓圈區(qū)域）中沒有夾雜物，表明疲勞斷裂不是由材料的夾雜引起的。

3.3 化學(xué)成分分析

表1所示為6 DF 1曲軸的化學(xué)成分分析結(jié)果。由表1中可見，該6 DF 1曲軸的化學(xué)成分符合GB／T 3077—1999標(biāo)準(zhǔn)中對42Cr Mo鋼的技術(shù)要求，表明該6DF1曲軸的材質(zhì)符合規(guī)定要求。

圖2 6DF1曲軸裂紋源區(qū)的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM image of the crack initiation region of 6DF1 crankshaft

表1 6DF1曲軸的化學(xué)成分（wB／%）Table 1 Chemical compositions of 6DF1 crankshaft

3.4 顯微組織分析

圖3和圖4分別為6DF1曲軸疲勞源附近放大50倍和1 000倍的顯微組織照片。從圖3中可以看出，6DF1曲軸的組織呈現(xiàn)出明顯的成分偏析。而由圖4中可見，雖然該曲軸的組織呈現(xiàn)出一定的成分偏析，但仍為回火索氏體，表明采用調(diào)質(zhì)處理工藝并沒有給其金相組織帶來不利的影響。結(jié)合圖2還可以看出，該6 DF 1曲軸的斷口未發(fā)現(xiàn)由鍛造工藝不當(dāng)引起的缺陷，如表面裂紋、折疊、鍛入的氧化鐵皮等，表明該曲軸的鍛造工藝也符合要求。為了確定是何種元素產(chǎn)生了偏析，還利用電子探針對疲勞源附近的顯微組織進(jìn)行了面掃描成分分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5中可見，C、Mn和Cr元素都產(chǎn)生了偏析。

圖3 6DF1曲軸的顯微組織照片（×50）Fig.3 Optical microstructure of 6DF1 crankshaft（50 times）

圖4 6DF1曲軸的顯微組織照片（×1 000）Fig.4 Optical microstructure of 6DF1 crankshaft（1 000 times）

圖5 電子探針元素面掃描照片F(xiàn)ig.5 Face scanning of electron microprobe

3.5 硬化層深度檢測

按照GB／T 5617—2005標(biāo)準(zhǔn)，對6DF1曲軸主軸頸和連桿軸頸處的硬化層深度進(jìn)行了測定，測定結(jié)果見表2。由表2中可見，該6DF1曲軸主軸頸和連桿軸頸的硬化層深度均滿足規(guī)定要求，因此，可判斷其疲勞斷裂不是由硬化層深度不合格造成的。

表2 6DF1曲軸的硬化層深度Table 2 Hardened layer depth of 6DF1 crankshaft

3.6 力學(xué)性能檢測

在6DF1曲軸上切取拉伸試樣和沖擊試樣，并進(jìn)行了拉伸試驗和沖擊試驗，試驗結(jié)果見表3。從表3中可以看出，6DF1曲軸的力學(xué)性能指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。此外，還對試驗后的拉伸試樣和沖擊試樣進(jìn)行了金相組織檢測，結(jié)果表明拉伸試樣和沖擊試樣的組織為回火索氏體組織，但組織中未出現(xiàn)成分偏析，表明該6DF1曲軸拉伸試樣和沖擊試樣位置處未出現(xiàn)成分偏析，成分偏析發(fā)生在裂紋源附近。

表3 6DF1曲軸的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of 6DF1 crankshaft

4 討論

該曲軸的疲勞裂紋源位于連桿軸頸的內(nèi)部靠近表面的位置，表明該裂紋源并不是由表面感應(yīng)淬火時硬化層深度不夠所引起的；考慮到曲軸表面所受到的應(yīng)力最大，也可以排除裂紋源處發(fā)生應(yīng)力集中的可能；曲軸上沒有發(fā)現(xiàn)由鍛造工藝不當(dāng)引起的缺陷，且其力學(xué)性能指標(biāo)均符合技術(shù)要求。由此可見，該6DF1曲軸的疲勞斷裂是由裂紋源處的成分偏析所引起的。

鋼錠在結(jié)晶時，由于晶內(nèi)偏析（枝晶偏析）的結(jié)果，在枝晶之間富集了硫、磷等雜質(zhì)，硫、磷的成分偏析將顯著增大鋼的冷脆性和時效敏感性，降低其力學(xué)性能，特別是沖擊韌性［1－2］。當(dāng)曲軸中存在嚴(yán)重的成分偏析時，由于曲軸受到反復(fù)的循環(huán)應(yīng)力作用，極易在成分偏析區(qū)域形成疲勞裂紋源。一旦形成裂紋源，曲軸將很快發(fā)生疲勞斷裂，而這正是該6DF1曲軸發(fā)生疲勞斷裂的原因。通過常規(guī)的退火、正火、淬火、滲碳加熱等工藝很難消除鋼的成分偏析［3］，因此，應(yīng)提高材料驗收標(biāo)準(zhǔn)以避免由于成分偏析引起的疲勞斷裂。

5 結(jié)論

（1）該6DF1曲軸的失效形式為疲勞斷裂，疲勞裂紋源位于連桿軸頸的內(nèi)部、距離連桿軸頸表面4.8 mm處。

（2）疲勞裂紋源處存在的成分偏析是造成6DF1曲軸發(fā)生疲勞斷裂的主要原因。應(yīng)從材料驗收方面考慮提高相應(yīng)的驗收標(biāo)準(zhǔn)以杜絕此類疲勞斷裂的產(chǎn)生。

［1］ 劉天佑.鋼材質(zhì)量檢驗［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007：98.

［2］ 陳思政.金屬的強度與檢驗［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1981：118－119.

［3］ 劉云旭.低碳合金鋼中帶狀組織的成因、危害和消除［J］.金屬熱處理，2000，25（12）：1－3.