顏 婧 ， 馮繼軍 ， 余政宏 ， 盧柳林 ， 高 勇

（1. 東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，武漢 430056；2. 東風(fēng)商用車有限公司發(fā)動機(jī)廠，湖北 十堰 442001）

0 引言

汽車發(fā)動機(jī)曲軸是發(fā)動機(jī)中重要部件，它承受連桿傳來的力，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩，通過曲軸輸出并驅(qū)動發(fā)動機(jī)上其他附件工作。曲軸受到旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力、周期性變化的氣體壓力和往復(fù)慣性力的共同作用，使曲軸承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷。因此，要求曲軸有足夠的強度和剛度，軸頸表面需耐磨且潤滑良好[1]。

大馬力柴油發(fā)動機(jī)的曲軸工作情況更為苛刻，對材料的要求也更加嚴(yán)格。曲軸材料一般采用中碳鋼或中碳合金鋼模鍛，或采用高強度的稀土球墨鑄鐵。近年來，非調(diào)質(zhì)鋼由于其較低的成本和較優(yōu)良的性能，在柴油發(fā)動機(jī)曲軸上得到了良好的應(yīng)用[2]。非調(diào)質(zhì)鋼中的非金屬夾雜物MnS的適量存在，雖然可以改善非調(diào)質(zhì)鋼的加工性能，但其夾雜物形態(tài)和級別若控制不當(dāng)，會嚴(yán)重影響曲軸的疲勞性能，造成曲軸的疲勞失效[2]。非調(diào)質(zhì)鋼曲軸由于夾雜物而導(dǎo)致疲勞斷裂的事件屢見文獻(xiàn)報道[3-5]。

曲軸在運行過程中，由于其受力和結(jié)構(gòu)的特征，其危險或薄弱的環(huán)節(jié)一般是在曲軸軸頸圓角處、曲軸油孔處等應(yīng)力集中的部位，也有發(fā)生在曲柄處的疲勞斷裂失效，與其材料缺陷相關(guān)?？傊嚢l(fā)動機(jī)曲軸在其設(shè)計、制造、使用中的任何一個環(huán)節(jié)的不當(dāng)，都可能會造成其失效[6]。曲軸是具有一定彈性和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的軸，本身具有一定的固有頻率。在發(fā)動機(jī)工作過程中，曲軸的彈性和作用于軸系的周期性扭矩使發(fā)動機(jī)時刻存在著扭轉(zhuǎn)振動。扭振會使軸系承受交變應(yīng)力，隨著疲勞的積累，將造成曲軸的突然斷裂。扭振時，曲軸前端的角振幅最大，如果扭振的頻率與曲軸系統(tǒng)的固有頻率相等或是它的某一倍數(shù)時，就會發(fā)生共振，輕則引起較大的噪聲，加劇其他零件的磨損，重則甚至?xí)霈F(xiàn)曲軸斷裂等惡性機(jī)損事故。在曲軸上加裝扭轉(zhuǎn)減振器是控制曲軸扭振的主要措施[2,7-8]。在文獻(xiàn)報告中，除了常見的曲軸彎曲疲勞以外，曲軸發(fā)生扭振疲勞失效的案例也很常見[9-11]。曲軸的扭轉(zhuǎn)疲勞失效的主要形式是連桿頸斜油孔失效，異常失效形式有曲柄臂失效和連桿頸下止點失效；曲軸曲柄臂凹陷和凸起的標(biāo)識、原材料夾雜、斜油孔內(nèi)部加工刀痕和受力異常，都會導(dǎo)致曲軸異常的扭轉(zhuǎn)失效[12]。

卡車在運行里程為4萬多km時，發(fā)動機(jī)突然異響，拆解檢查發(fā)現(xiàn)，第5缸連桿瓦拉瓦、燒瓦并抱軸。曲軸第5缸連桿頸拉傷，且發(fā)現(xiàn)與軸向呈45°的裂紋。通過宏觀痕跡分析、斷口觀察、金相檢驗、化學(xué)分析、硬度檢測等手段，判斷最終肇事件，并驗證其準(zhǔn)確性。另外，當(dāng)拉瓦抱軸與曲軸開裂兩種失效形態(tài)共存時，如何判斷是抱軸導(dǎo)致曲軸開裂，還是曲軸開裂導(dǎo)致拉瓦抱軸，以及如何從曲軸開裂形態(tài)分析判斷出最終的肇事件，本論文的分析思路和方法可以為類似的發(fā)動機(jī)曲軸失效情況作技術(shù)參考。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀痕跡分析

失效曲軸的宏觀形貌如圖1a所示。裂紋出現(xiàn)在第5缸連桿頸表面，穿過油孔，與軸向呈45°（圖1b），軸頸表面有拉傷痕跡，其他缸曲軸軸頸表面無拉傷，無磨損變色痕跡；主軸瓦下瓦有輕微拉傷，無燒瓦痕跡（圖1c）；連桿瓦下瓦有輕微拉傷，對應(yīng)的第5缸連桿下瓦磨損嚴(yán)重，瓦背面磨糊變色（圖1d、圖1e）；對應(yīng)的第5缸連桿大頭孔內(nèi)表面有拉傷磨痕（圖1f）。綜上所述，除了第5缸曲軸開裂，連桿瓦拉瓦燒瓦之外，其他缸的軸頸、軸瓦并無明顯異常磨痕，說明其潤滑能力良好，潤滑油膜并未被破壞。

圖 1 失效的曲軸及軸瓦、連桿宏觀形貌Fig.1 Macro appearance of failed crankshaft and bearings, connecting rod

1.2 裂紋（斷口）宏觀分析

將曲軸裂紋打開觀察斷口形貌，如圖2所示，從內(nèi)側(cè)油道處（圓圈處）起源，線源，源區(qū)長度約為18 mm，源區(qū)邊緣距軸頸表面約8 mm（軸頸表面淬硬層深度以下），源區(qū)有許多疲勞臺階。裂紋起源后，向紅色箭頭方向擴(kuò)展，擴(kuò)展區(qū)有明顯疲勞弧線，瞬斷區(qū)有明顯放射棱線；從斷口裂紋擴(kuò)展的痕跡看，為受扭轉(zhuǎn)力下疲勞開裂。

1.3 斷口微觀分析

斷口源區(qū)布滿眾多疲勞臺階（圖3a）；放大觀察，在不少的區(qū)域發(fā)現(xiàn)有聚集排列的夾雜物（圖3b、圖3c），由能譜分析可知，其主要為A類MnS夾雜（圖4）。裂紋擴(kuò)展區(qū)為疲勞特征（圖3d）。

1.4 基體夾雜物分析

圖 2 曲軸裂紋及斷口宏觀形貌Fig.2 Macro appearance of crankshaft crack and fracture

圖 3 曲軸斷口掃描電鏡形貌Fig.3 SEM morphology of the crankshaft fracture

圖 4 源區(qū)夾雜物能譜分析Fig.4 EDS analysis of inclusions at source region

從斷口源區(qū)可知，裂紋起源于大量的夾雜物處。為了檢測基體中夾雜物的形態(tài)和級別，在斷口附近平行于斷口取縱向樣，磨制金相拋光后，曲軸基體中夾雜物形貌如圖5所示。可見，硫化物呈長條狀、短桿狀、紡錘狀、球狀等，并聚集在一起。A類（MnS）夾雜標(biāo)準(zhǔn)視場中長度總和為1 300 μm，按GB/T 10561—2005評定，夾雜物級別為4～5級。B類夾雜評定為1級。

圖 5 曲軸基體中的夾雜物形貌Fig.5 Morphology of the nonmetallic inclusions in the matrix

1.5 金相組織分析

曲軸基體組織為珠光體+網(wǎng)狀和塊狀的鐵素體，有混晶現(xiàn)象，晶粒度最細(xì)為6級，最粗為3級，如圖6所示。斷口源區(qū)和油道附近的金相組織與基體一致。

圖 6 曲軸金相組織Fig.6 Metallographic structure of the crankshaft

垂直于第5缸連桿軸頸表面取樣，發(fā)現(xiàn)眾多與表面呈45°的微裂紋，如圖7所示。這是連桿軸頸拉瓦所導(dǎo)致的磨削裂紋。

圖 7 第5缸連桿頸磨削裂紋Fig.7 Grinding crack on connecting rod neck of fifth cylinder

1.6 化學(xué)成分分析

對曲軸基體（軸頸截面心部）進(jìn)行化學(xué)成分檢測，其中S含量極其不均勻，質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)0.07%，最低為0.03%。

1.7 硬度檢測

測試軸頸截面（心部）的硬度值，基體的硬度值為HBW5/75220～236，技術(shù)條件要求為HB 223～285，基體硬度值基本滿足要求。

1.8 扭振減振器臺架試驗檢測

對匹配的曲軸扭振減振器做臺架試驗檢測。檢測結(jié)果證明，4.5階時扭振幅值達(dá)0.43，6階時扭振幅值達(dá)0.32，已遠(yuǎn)超設(shè)計要求的0.17，確定失效，因振動太大將測試用的傳感器振壞[13]。

2 分析與討論

整個故障中，曲軸第5缸連桿瓦拉瓦最嚴(yán)重，連桿下瓦拉瓦并燒糊變色，連桿軸頸表面也被拉傷，且表面還出現(xiàn)一條與軸向呈45°的裂紋。拉瓦抱軸會導(dǎo)致曲軸受力異常而斷裂，曲軸開裂也會在表面形成刀口導(dǎo)致拉瓦抱軸故障。本案例中，從以下幾方面可以推斷是曲軸開裂在先，拉瓦在后，曲軸開裂為拉瓦抱軸的肇事件：

1）曲軸裂紋打開后的斷口為起源于油道處的（非軸頸表面）高周疲勞斷口，即曲軸在裂紋起源到擴(kuò)展至軸頸表面需要一定的時間，如果是拉瓦在前，軸頸與瓦面產(chǎn)生干摩擦后發(fā)熱融化，形成粘著磨損。發(fā)生時間很短，很快導(dǎo)致發(fā)動機(jī)失效，不會給曲軸裂紋高周疲勞擴(kuò)展的時間。

2）曲軸裂紋的起源在油道內(nèi)表面，并非軸頸表面，與拉瓦形成的軸頸表面的磨削裂紋無關(guān)。

3）拉瓦最嚴(yán)重的是第5缸，軸瓦表面為有硬物劃過的磨粒磨損+粘著磨損特征，而軸頸表面并無嚴(yán)重磨糊變色痕跡，軸頸油道并無堵塞，說明軸頸表面的潤滑能力并無喪失，先拉瓦的可能不大。

綜上所述，曲軸開裂在先，是扭轉(zhuǎn)力作用下的疲勞開裂。扭轉(zhuǎn)力作用下，軸頸表面受力最大。但由于曲軸軸頸處經(jīng)過感應(yīng)淬火處理，表面為壓應(yīng)力層，曲軸表面集中很大的殘余壓應(yīng)力。離表面越遠(yuǎn)壓應(yīng)力越小，達(dá)到一定距離時，壓應(yīng)力為0，轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力[14]。本案例中，曲軸軸頸的淬硬層深約4.8 mm，在淬硬層以下，壓應(yīng)力逐漸消失，取而代之的是殘余拉應(yīng)力。因此，裂紋的起源是在距離軸頸表面約8 mm的油孔表面位置。

在對斷口進(jìn)行分析的過程中，發(fā)現(xiàn)源區(qū)存在大量的成排狀排列的MnS夾雜，這種形態(tài)的夾雜物會切割基體，降低材料的疲勞性能。從材料上說，夾雜物處是薄弱環(huán)節(jié)；從受力來說，淬硬層下的油道內(nèi)表面是薄弱環(huán)節(jié)。因此，此處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和夾雜物的削弱效應(yīng)相疊加，導(dǎo)致了疲勞裂紋的萌生。

通常情況下，由于匹配的扭振減振器的存在，曲軸所承受的扭矩和扭振應(yīng)是遠(yuǎn)小于其疲勞強度的。但仍然發(fā)生了扭轉(zhuǎn)疲勞開裂，故扭振減振器的性能可能已不滿足使用要求。經(jīng)過對扭振減振器進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)其已經(jīng)失效。因此，曲軸受到異常的較大的扭振扭矩作用，發(fā)生扭轉(zhuǎn)疲勞開裂。扭振減振器的失效是整個發(fā)動機(jī)曲軸開裂，拉瓦抱軸的最終肇事件。

3 改進(jìn)建議

1）安裝性能良好的扭振減振器。

2）從生產(chǎn)工藝流程上控制非調(diào)質(zhì)鋼曲軸基體中的夾雜物形態(tài)和級別，使夾雜物呈球化狀態(tài)。

4 結(jié)論

1）曲軸疲勞開裂后在表面形成刀口，導(dǎo)致了拉瓦抱軸事故的發(fā)生。

2）曲軸開裂起源于油道內(nèi)壁（淬硬層以下）的高周扭轉(zhuǎn)疲勞開裂，與其受到異常的扭轉(zhuǎn)力有關(guān)。

3）扭振減振器的失效是導(dǎo)致曲軸受到異常的扭轉(zhuǎn)力的原因。

4）曲軸基體中存在大量聚集成排的MnS夾雜，是疲勞裂紋起源的另一個誘因。