近期接到我公司一新品型號發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)曲柄斷裂失效件，對此斷裂曲柄進(jìn)行了相關(guān)檢驗(yàn)與分析，具體情況如下。
斷裂曲柄如圖1所示，斷裂曲柄總成為兩個曲柄連接而成，帶有連桿，曲柄桿部都帶有軸承，斷裂部位在其中一軸承外側(cè)根部，斷裂處有一約φ3.5mm鉆孔。宏觀觀察，斷口有摩擦痕跡，已無法清晰觀察斷口形貌，圖2為圖1a斷裂端的局部形態(tài)。
（a）失效曲柄總成
（b）斷裂部分
圖1 斷裂件位置
根據(jù)曲柄斷裂情況，在圖2中所示的斷口部位切取試樣1，斷裂另一部分切取試樣2進(jìn)行斷口分析、材料成分、金相及硬度檢驗(yàn)。
圖2 失效曲柄總成斷裂端宏觀形貌
在斷頭處有一鉆孔，直徑約3.5mm，車痕較粗慥，如圖3a、3b所示。在顯微鏡下觀察斷口，鉆孔底部和曲柄的內(nèi)孔之間有一厚度約為1mm的臺階，如圖3c所示。
（a）
（b）
（c）
圖3 試樣1斷口
曲柄材料要求為45鋼，經(jīng)光譜分析其化學(xué)成分如表1所示，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。表1 曲柄化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）
將試樣2拋光后經(jīng)2%硝酸酒精腐蝕后觀察，如圖4a所示。試樣周邊有一寬度為0.13mm的淬火層，如圖4b所示。內(nèi)孔附近組織為回火索氏體+斷續(xù)網(wǎng)狀鐵素體，晶粒度為7級，硬度為22.4HRC，如圖4c所示。
（a）
（b）
（c）
圖4 試樣2金相
將試樣1研磨拋光后觀察，試樣周邊沒有感應(yīng)淬火層，如圖5a所示。試樣1與試樣2內(nèi)部組織均為組織為回火索氏體+斷續(xù)網(wǎng)狀鐵素體，晶粒度為7級，如圖5b所示。
（a）
（b）
圖5 試樣外觀及內(nèi)部金相組織
通過分析，斷口雖然有破壞，但仍然可以大致判斷裂紋走向。鉆孔底部應(yīng)為裂紋源發(fā)生部位，裂紋由此產(chǎn)生，并向內(nèi)孔拓展貫通后再向周邊發(fā)展。先期形成裂紋斷面為大致平行軸向，后受工件回轉(zhuǎn)扭力影響裂紋轉(zhuǎn)向垂直軸向方向發(fā)展，在裂紋起始位置形成臺階。后裂紋持續(xù)發(fā)展到達(dá)軸外表面后進(jìn)展速度不斷加快，直至在鉆孔位置對面發(fā)生瞬時(shí)斷裂。依據(jù)瞬時(shí)斷裂面積較小這一特征，綜合判斷此裂紋為低載高周疲勞斷裂。斷裂后工件兩斷面還維持了一定時(shí)間的相對運(yùn)動，造成斷裂面磨蹭痕跡。該曲柄材料為45鋼，生產(chǎn)工序?yàn)椋合铝稀懺臁{(diào)質(zhì)→機(jī)加工→感應(yīng)淬火→磨削→裝配。根據(jù)工藝路線分析造成曲柄斷裂的主要原因有以下幾個方面：（1）機(jī)加工鉆孔底部刀痕粗糙，造成應(yīng)力集中，是產(chǎn)生裂紋的主要原因。（2）工件內(nèi)部組織存在斷續(xù)網(wǎng)狀鐵素體，造成工件強(qiáng)度下降，使裂紋能夠得以拓展。（3）斷口處于工件感應(yīng)淬火帶邊緣部位，表面未得到有效強(qiáng)化。①φ3.5mm孔為油泵輪定位銷孔，考慮小孔徑鉆孔粗糙度難以控制，建議將此銷孔取消，油泵輪改為過盈壓裝定位，同時(shí)還避免了鉆孔對軸截面有效承載面積造成的損失，可提高軸整體強(qiáng)度。②控制調(diào)質(zhì)工序淬火條件，提高工件淬火冷卻速度，避免延晶界網(wǎng)狀鐵素體析出問題出現(xiàn)。③加寬工件感應(yīng)淬火位置帶，延伸至軸承壓裝位置，有效提高工件疲勞強(qiáng)度。作者：劉雪冰、白強(qiáng)偉、張國卿
單位：洛陽北方易初摩托車有限公司發(fā)動機(jī)制造部
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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