摘 要:使用掃描電鏡、能譜分析儀、X射線衍射儀、光學(xué)顯微鏡、顯微硬度計(jì)、拉伸試驗(yàn)機(jī)和直 讀光譜儀等設(shè)備對(duì)失效曲軸進(jìn)行了研究。分析了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)、原材料缺陷、裝配不當(dāng)、使用不當(dāng) 等因素導(dǎo)致曲軸失效的案例,并提出了改進(jìn)建議;闡述了相關(guān)零部件與曲軸失效之間的關(guān)系。結(jié)果 表明:應(yīng)從設(shè)計(jì)、材料、熱處理、機(jī)械加工、轉(zhuǎn)運(yùn)、裝配、相關(guān)聯(lián)接件、使用過(guò)程及服役環(huán)境等諸多方面 對(duì)曲軸的失效進(jìn)行排查并著手改進(jìn)。
關(guān)鍵詞:曲軸;過(guò)熱;疲勞;應(yīng)力集中;失效模式
中圖分類號(hào):TG115.21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2023)06-0073-05
曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)中長(zhǎng)期受到周期性的彎曲、扭轉(zhuǎn) 和振動(dòng)等復(fù)雜載荷的作用,極易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)和彎曲變 形,甚至產(chǎn)生裂紋和發(fā)生斷裂[1-2]。曲軸的圓角等過(guò) 渡區(qū)往往是應(yīng)力集中處[3]。目前,普遍采用感應(yīng)淬 火、氣體氮化、圓角滾壓、噴丸處理和激光沖擊強(qiáng)化 等方法對(duì)曲軸圓角等危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)化[4]。曲軸的 材料 主 要 有 40Cr、35CrMo、42CrMo 等 調(diào) 質(zhì) 鋼, 38MnVS6、48MnV、C38N2、SAE1548 等 非 調(diào) 質(zhì) 鋼[5-6]。近年來(lái),球墨鑄鐵具有成本低、消耗能源少、 生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì),逐漸成為以鐵代鋼的新材料, 主要有 QT700-2、QT800-3等。如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 材料設(shè)計(jì)、鑄造和鍛造成型、強(qiáng)化工藝、機(jī)械加工、裝 配、使用等環(huán)節(jié)中出現(xiàn)問(wèn)題,曲軸均可能失效。筆者 結(jié)合近年來(lái)各種實(shí)際曲軸故障案例,從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材 料缺陷、裝配因素、使用等方面分析和研究了柴油發(fā) 動(dòng)機(jī)曲軸的常見(jiàn)失效模式。
1 分析方法
使用能譜儀、直讀光譜儀分析曲軸的化學(xué)成分; 使用維氏和布氏硬度計(jì)、拉伸試驗(yàn)機(jī)、輪廓儀等檢驗(yàn) 材料的力學(xué)性能及圓角加工質(zhì)量;使用掃描電鏡 (SEM)、光學(xué)顯微鏡觀察斷口及其顯微組織形貌, 使用 X射線衍射儀、電解拋光儀測(cè)量曲軸的殘余應(yīng) 力及梯度。
2 失效曲軸的案例分析
2.1 案例1(設(shè)計(jì)因素)
某調(diào)質(zhì)鋼曲軸在臺(tái)架試驗(yàn)中運(yùn)行780h后發(fā)生 斷裂,斷裂位置為第1曲柄銷前端下止點(diǎn)圓角處(見(jiàn) 圖1)。裂紋源區(qū)有輕微磨損,斷面有明顯的疲勞擴(kuò) 展痕跡,瞬斷區(qū)面積較小。
2.1.1 圓角輪廓與殘余應(yīng)力檢驗(yàn)
該曲軸圓角沉割槽尺寸如圖2a)所示,符合圖 紙要求。使用體視顯微鏡觀察斷裂圓角輪廓,未見(jiàn) 缺陷,其外觀如圖2b)所示。殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果分 別為-477.5,-482.1MPa,表明兩側(cè)圓角滾壓效果 均較好。
2.1.2 金相檢驗(yàn)及低倍檢驗(yàn)
源區(qū)附近組織為2級(jí)回火索氏體(要求為1~4 級(jí)),源區(qū)附近顯微組織與鍛造流線如圖3所示。使用 鹽酸分別對(duì)曲柄銷與主軸頸進(jìn)行酸蝕,低倍檢驗(yàn)結(jié)果 顯示曲柄銷與主軸頸鍛造流線分布合理,圓角處的切 應(yīng)力與流線方向垂直,沒(méi)有紊流、折疊,露頭等缺陷[7]。
2.1.3 原因分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)
根據(jù)低應(yīng)力高周疲勞斷裂的特征,判斷曲軸的 疲勞強(qiáng)度不足。曲軸的材料和工藝滿足設(shè)計(jì)要求, 考慮對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。通常,曲軸的主軸頸曲柄 銷的過(guò)渡圓角處和曲柄銷至曲柄壁的過(guò)渡圓角處是 應(yīng)力集中危險(xiǎn)區(qū),影響因素主要有過(guò)渡圓角半徑、曲 軸的重疊度和曲柄厚度等[8]。增加曲柄厚度可以使 過(guò)渡圓角處比較平滑,應(yīng)力分布均勻,從而改善曲軸 的應(yīng)力狀況[9]。增加曲柄銷凸臺(tái)直徑可以增大曲軸 的重疊度。增大過(guò)渡圓角半徑可以有效降低圓角處 的應(yīng)力集中程度[10-12]。
分別保持其他因子不變,逐漸改變并優(yōu)化曲柄 厚度、曲軸的重疊度和過(guò)渡圓角半徑,將這3個(gè)物理 量進(jìn)行模擬計(jì)算,結(jié)果顯示優(yōu)化上述3個(gè)物理量對(duì) 降低應(yīng)力的效果依次遞增。圖4為最終選定的降低 圓角應(yīng)力集中效果最佳的結(jié)構(gòu),曲柄銷圓角半徑由 1.45mm增至1.8mm,圓角側(cè)面凹進(jìn)量由0.2mm 增至0.5mm。用諧振式疲勞試驗(yàn)裝置驗(yàn)證改進(jìn)曲 柄極限彎矩為1394N·m,比原結(jié)構(gòu)提高了14.3%, 再次試驗(yàn)通過(guò)。
2.2 案例2(原材料缺陷)
某非調(diào)質(zhì)鋼曲軸在行駛中運(yùn)行269h后發(fā)生失 效,其主要加工工藝為:鍛造→控冷→表面淬火→機(jī) 械加工。其斷口宏觀形貌如圖5所示,可見(jiàn)該斷裂 模式為扭轉(zhuǎn)斷裂,裂紋源區(qū)為第4曲柄銷內(nèi)部基體 缺陷處,該處銹蝕嚴(yán)重。
2.2.1 金相檢驗(yàn)及掃描電鏡分析
在裂紋源區(qū)截取試樣,將其在體積分?jǐn)?shù)為2% 的硝酸乙醇溶液中腐蝕后,置于光學(xué)顯微鏡下觀察, 發(fā)現(xiàn)多處D類夾雜物,裂紋兩側(cè)可見(jiàn)明顯的脫碳, 鐵素體含量高,珠光體含量較少[見(jiàn)圖6a)],而原始 組織應(yīng)為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體。使用場(chǎng)發(fā)射掃描電 鏡觀察斷面缺陷,發(fā)現(xiàn)該處為過(guò)燒組織[見(jiàn)圖6b)]。
2.2.2 能譜分析
對(duì)裂紋源附近銹蝕區(qū)進(jìn)行面掃描,能譜分析結(jié)果顯示該處成分主要為含F(xiàn)e元素的氧化物。結(jié)合 金相檢驗(yàn)、掃描電鏡分析結(jié)果可知,缺陷為鍛造折 疊。折疊會(huì)減少零件的承載面積,該處容易形成應(yīng) 力集中,成為疲勞源[13]。
2.3 案例3(裝配因素)
某曲軸的第1曲柄銷下止點(diǎn)圓角處發(fā)生斷裂。 在發(fā)動(dòng)機(jī)拆解的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)第2主軸承螺栓斷裂, 第2主軸承缸蓋接觸面出現(xiàn)磨損(見(jiàn)圖8),曲軸各 軸頸無(wú)明顯拉傷。經(jīng)檢驗(yàn),曲軸的化學(xué)成分、組織、 性能均合格。因曲軸斷裂的同時(shí)還伴有第2主軸承 螺栓斷裂,缸體與第2主軸承瓦蓋的螺栓斷裂一側(cè) 結(jié)合面發(fā)生嚴(yán)重磨損,可以推斷主軸承蓋結(jié)合面發(fā) 生過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的相互摩擦,即主軸承蓋結(jié)合面之間 產(chǎn)生了相對(duì)位移。內(nèi)燃機(jī)裝配節(jié)點(diǎn)間的構(gòu)件產(chǎn)生微 小位移是該節(jié)點(diǎn)被破壞的標(biāo)志[14]。結(jié)合螺栓、曲軸 斷裂分析可知,該處結(jié)合面的螺栓出現(xiàn)松動(dòng)。
綜合發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拆解、失效件的理化檢驗(yàn)結(jié)果 判斷,主軸承螺栓的擰緊力矩不足導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí) 間運(yùn)行后出現(xiàn)松動(dòng),缸體與主軸承蓋的結(jié)合面發(fā)生 磨損,造成曲軸受力異常,出現(xiàn)疲勞斷裂。裝配擰緊 的實(shí)質(zhì)是將螺栓的軸向預(yù)緊力控制在適當(dāng)范圍。該 發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩法擰緊工藝是通過(guò)控制擰緊力矩T 間接控制螺栓預(yù)緊力F 的,具體如式(1)所示。
式中:K 為扭矩系數(shù);D 為螺栓公稱直徑。
因K 受到諸多因素的影響,其值通常為0.1~ 0.3 [15],導(dǎo)致螺栓的預(yù)緊力變化范圍較大。如果螺 栓預(yù)緊力達(dá)不到規(guī)定的要求,被聯(lián)接件之間受載后 會(huì)出現(xiàn)縫隙或者發(fā)生相對(duì)滑移,造成聯(lián)接件松動(dòng),甚 至使整機(jī)損壞[16]。目前,較先進(jìn)的擰緊方式是扭 矩-轉(zhuǎn)角法,其實(shí)質(zhì)是控制螺栓的伸長(zhǎng)量。研究表 明,在不大于螺栓屈服極限80%的情況下[17],螺栓 的軸向預(yù)緊力越大,其抗松動(dòng)和抗疲勞性能越好,螺 栓擰緊至屈服時(shí)效果越好。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)連桿螺栓、 缸蓋螺栓、主軸承螺栓等重要應(yīng)用場(chǎng)合,應(yīng)盡可能采用扭矩-轉(zhuǎn)角法將螺栓擰緊至屈服極限。
2.4 案例4(使用因素)
某調(diào)質(zhì)鋼曲軸在運(yùn)行約2×105km后發(fā)生彎扭 復(fù)合斷裂,第4主軸承軸頸已磨損燒傷至黑色(見(jiàn)圖 9)。裂紋源區(qū)位于第4主軸軸頸,斷面有明顯的疲 勞擴(kuò)展痕跡。
2.4.1 掃描電鏡分析
用掃描電鏡對(duì)軸頸裂紋源區(qū)進(jìn)行觀察,裂紋源 區(qū)出現(xiàn)4.2mm×2.2mm(長(zhǎng)×寬)的嚴(yán)重磨損區(qū), 源區(qū)放大后未見(jiàn)缺陷及異常,擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)清晰的疲 勞條紋。
2.4.2 淬火層顯微硬度測(cè)試
對(duì)失效及正常軸頸進(jìn)行淬火層硬度測(cè)試,結(jié)果 顯示失效軸頸表面硬度為56HRC,正常軸頸表面 硬度為52HRC,這是因?yàn)槭лS頸經(jīng)歷二次淬火 過(guò)程,導(dǎo)致軸頸表面二次硬化。
2.4.3 金相檢驗(yàn)
截取裂紋源處試樣,將其置于光學(xué)顯微鏡下觀 察,發(fā)現(xiàn)裂紋源處為淬火區(qū),軸頸表面可見(jiàn)二次淬火 組織,淬火區(qū)正常位置的組織為均勻一致的6級(jí)淬 火馬氏體(見(jiàn)圖11)。
2.4.4 原因分析
該曲軸裂紋源區(qū)無(wú)明顯缺陷,燒蝕軸頸表面硬 度的異常升高以及燒蝕軸頸表面異常組織的出現(xiàn)均 是軸頸嚴(yán)重?zé)齻麑?dǎo)致的。第4主軸頸嚴(yán)重?zé)齻麑?dǎo)致 軸頸表面溫度急劇升高,降低了軸頸表面的強(qiáng)度,同 時(shí),曲軸也受到了較大的垂直軸向作用力,從而導(dǎo)致 斷裂。該類斷裂失效與用戶的維護(hù)保養(yǎng)、長(zhǎng)期的使 用習(xí)慣以及突發(fā)惡劣路況等因素密切相關(guān)。
3 結(jié)語(yǔ)
發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的失效原因涉及設(shè)計(jì)、材料、熱處 理、機(jī)械加工、轉(zhuǎn)運(yùn)、裝配、相關(guān)聯(lián)接件、使用及服役 環(huán)境等多個(gè)方面,這些因素相互影響、相互作用,使 得分析過(guò)程復(fù)雜,因此需要收集盡可能多的信息,借 助各種理化檢驗(yàn)方法,使用多種分析軟件及試驗(yàn)方 法對(duì)失效原因進(jìn)行分析。曲軸的失效往往會(huì)造成其 他相關(guān)零部件的損壞,同時(shí)其他零部件的變化或損 壞也會(huì)帶來(lái)曲軸的失效。實(shí)際分析時(shí),應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn) 行詳細(xì)地調(diào)查,準(zhǔn)確判定相關(guān)零部件的損壞順序, 收集零件從設(shè)計(jì)、生產(chǎn),再到使用的整個(gè)生命周期的 信息,才能找出故障發(fā)生的根本原因,并提出相應(yīng)的 改進(jìn)措施。
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