基于球墨铸铁曲轴的失效分析.docx

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基于球墨铸铁曲轴的失效分析

基于球墨铸铁曲轴的失效分析

奥斯曼阿斯

土耳其阿菲永科扎徳佩大学,乌沙克工程学院机械工程系

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摘要:

本文介绍了一辆由球墨铸铁制成的卡车发动机曲轴的失效分析，该曲轴是感应淬火，曲柄销在保修期内被分裂成两部分。

本文正是对这根失效的曲轴进行完整性评估，包括肉眼检验、化学分析、显微硬度测量、拉伸试验和金相检验。

经过配备能谱仪的电子扫描仪的检测表明，疲劳是曲轴失效的主导因素。

据观察，疲劳裂纹是从曲柄销圆角处开始出现的，曲柄销圆角处没有硬化的显微组织及曲轴中游离石墨、非球形石墨的存在使得曲轴强度降低，导致疲劳产生，并在较弱的区域传播，使得曲轴过早断裂

关键词曲轴；疲劳；球墨铸铁；失效分析

1.引言

球墨铸铁是由铸铁与球状石墨组成的。

球墨铸铁为结节状、球状，因高强度、高韧性、可加工性好，成本低，被广泛应用于汽车的重要零部件，如曲轴、前轮主轴支架、卡车车桥等[1]。

球墨铸铁的力学性能与它们的基体组织有直接的关系，它的基体组织可能完全是铁素体，完全珠光体或两者的结合，分散在基质中。

这些基体组织受与铸件截面尺寸及合金元素相关联的冷却凝固点率的影响。

由于贝氏体和马氏体是热物理形成的，所以在铸态结构中没有看到。

这些基体结构在随后的热处理加工过程中可以改变，不过，有一部分球墨铸铁中的石墨不会因为热处理而改变，它是由凝固过程所决定的。

所有这一类材料的机械性能实质上就在于石墨的形状。

一般情况下，铸铁的疲劳强度受石墨形态、基体组织、拉伸强度、试样尺寸、表面状况、表面腐蚀等影响，如退化和载荷类型。

铸铁中游离的石墨作为一种固有的性质增大了缺口处疲劳裂纹的产生。

因此，铸铁的疲劳性能在很大程度上受石墨的数量、大小、形状以及其内部相互作用的基质所影响[2]。

热-机械表面硬化过程通常用来改善球墨铸铁的磨损和疲劳强度，当基质完全是珠光体时，表面硬化是最有效的方法。

在工作中，曲轴因自重、组件的重量或轴承之间的偏差而受到扭转应力和弯曲应力的作用，因此，这些旋转部件容易因经常运转发生扭转和弯曲，从而产生疲劳破坏。

疲劳裂纹从动态受力区中最脆弱的地方开始，特别是应力集中的地方。

应力集中在本质上可能是机械或金相，或者两者的组合。

曲轴应力集中处的形状是不均匀的，比如加工痕迹使得直径的变化，尖角和表面缺陷及缺口等。

金相应力集中可消除淬火裂纹、腐蚀凹坑、金属夹杂物，脆韧粒子等[3]。

此外，曲轴材料的显微结构不仅在疲劳失效初始阶段起到了至关重要的作用，而且在疲劳裂纹逐步增长过程中会导致组件的失效。

本文是对一个拥有6个缸，缸径为115厘米的柴油发动机的曲轴失效原因的研究，它来自一个汽车修理场，总体外观与失效曲轴的断裂部位如图1所示。

曲轴失效发生400小时后，结果会导致发动机发生灾难性的故障。

汽修厂的老板指出，类似的失效在保修期之前经常出现。

2.实验步骤

注意从表面和宏观上观察曲轴的失效，避免曲轴表面的损伤。

在曲轴的失效区以及非失效区都进行了照片扫描，化学分析，显微硬度测试，并用超声波清洗裂缝表面，然后使用配有能谱分析的仪器对裂缝表面进行检验，并对曲轴上失效部分的机械样品做了常规拉伸试验。

3.结果与讨论

如图1（b）所示，曲轴在曲柄销的部位被折断为两部分。

观察可看出断裂从圆角地区开始，因最大残余应力和最大应力的存在，所以在整个曲柄销的截面处断裂进一步扩大。

图1曲轴失效的一半形式（a）断裂位置近距离图（b）

典型的曲轴断裂表像如图2所示，断裂处有明显的裂纹区（见标记A）、逐步平坦的疲劳断裂区（见标记FF）以及最终因过载而断裂的区域（见标记OL）。

在低应力处，断裂表面具有旋转弯曲疲劳的特征。

用肉眼可以清楚的看到，裂纹是从曲柄销圆角区域开始出现的，A区的放大视图如3图所示，可以看出，裂纹表面有断口棘轮现象，这种现象表明多个相对高的应力区存在，断口棘轮也会导致高应力或应力集中出现。

棘轮的结合以及小范围的重载区表明即使负载很轻，应力集中也会很大。

最终出现裂纹的区域大约为整个截面的20%，这表明，疲劳是在低公称应力下的高cycle-low应力类型。

仔细检查裂纹表面，发现疲劳裂纹的表象，不过，这对球墨铸铁来说是一种正常的失效的现象。

一般来说，曲轴断裂面在裂纹出现处比较平坦，并随之延伸。

但在最终断裂处，断裂口与轴成45°角，如图2所示，整个断裂表面是粗糙的，并呈现出银灰色的外观。

非球形石墨的存在对疲劳裂纹有一定的影响，产生粗糙的裂口并改变裂纹路径的方向。

用放大镜观测，曲柄销圆角处可以看到一些环向裂纹，如图4.这些裂纹是不被通过的厚度，没有发现明显的磨损形态。

类似的小裂缝在主轴颈圆角处也可以找到，曲柄销和主轴颈的其他表面不含裂纹或异常磨损。

曲柄销圆角半径为5mm，为正常范围。

在断口表面也没有发现腐蚀介质。

频谱分析、拉伸试验、硬度测试以及金相检验结果表明曲轴材料为EN-GLS-700-2球墨铸铁（根据欧洲标准EN1563）。

经光谱仪的测定，结果如表1.表中还包括特定球墨铸铁成分的变化范围，从表中可看出与标准水平相比，失效的曲轴材料含有很高的碳、镍及低量的锰。

当抗拉强度的影响已经被我们所注意到时，其实只要碳含量高于标定量，就会降低疲劳强度和冲击强度。

此外，石墨在凝固过程中形成，大小和数量受碳含量的影响。

高含碳量增加了球状石墨或Fe3C的数量。

镍经常用来促进细珠光体的形成，从而提高曲轴的强度和淬透性，尤其是表面硬化的应用。

锰含量是作为基质变化的函数，通常情况下，它可以是低至0.1%的铁素体，也可以是高至1.2%的珠光体，因为锰是一个强有力的珠光体子。

硫带来的影响一定会被锰的作用所化合，如果铸铁中不含锰，没有任何作用的硫化铁就会在晶界形成，若硫与锰化合，分布在晶粒内部且无害的锰硫化物平衡就会形成。

图2失效曲轴表面裂纹图断裂面裂纹萌生区（A）疲劳失效区（FF）过载断裂区（OL）

图3棘轮起始以及其高应力

图4曲柄销圆角处裂纹的放大图

对直径为5mm，长为25mm的圆柱形曲轴曲柄销样本沿轴向进行拉伸试验，通过拉伸样品的断裂来评估样品的拉伸性能，拉伸性能如表2，表中还包括一些标准规定的拉伸性能，从表2中可以看出，结果所得的拉伸性能在标准范围内。

用维式硬度计测量加载在曲柄销上，载荷为500克、抛光及未蚀刻的两个样品从内到外的显微硬度，结果如图5，可以看出，圆角处没有硬化，但在曲柄销硬化的情况下，硬化深度大约为2.3mm，这是在技术需求范围内的。

此外，曲柄销表面和中心的显微测量值分别为675和310的高压。

图6蚀刻条件下曲轴失效部分的典型特征

为了比较曲柄圆角、曲柄销中心的显微结构，对这三个样本进行了金相分析，用光学显微镜对样品在被硝酸酒精腐蚀和未蚀刻两种情况下观察，观察发现在未蚀刻条件下，游离石墨、非球形石墨、球形石墨都可以在显微镜中看到，如图6，圆角区域及曲柄销中石墨的状态分布如图7所示。

圆角区域的显微结构由铁素体-珠光体及石墨结节组成，而曲柄销及曲柄销中心的显微结构是由回火马氏体及石墨结节组成。

曲柄销与圆角区域中心显微结构十分相似。

经频谱分析、显微硬度测试、金相分析发现，曲轴曲柄销失效的那一部分的表面是经过感应淬火和回火的。

然而，在感应淬火过程中，圆角区似乎不完全是奥氏体。

图7蚀刻条件下曲轴显微组织（200x）（a），曲柄销及曲柄臂圆角区显微组织（b）

为了表征断裂部位的微观机制，对裂缝表面进行了电子扫描，发现有多个裂纹出现，裂纹最初出现在靠近圆角区表面处，放大如图8示。

从图中可以看出，裂纹最初出现在靠近圆角表面的石墨周围。

众所周知，球墨铸铁中游离的石墨及非球形石墨作为一个固有缺口，增加了应力集中，使得疲劳裂纹出现得较早。

裂纹出现初始期，条纹可以清晰的看到，这是疲劳破坏的典型特征。

曲轴圆角处承载是失效的原因，这是因为圆角处的屈服强度低，但应力却高度集中。

图8圆角表面裂纹起始区域扫描照

图9呈现出了断裂面的逐步分裂过程，球墨铸铁的这些特征是在弯曲和扭转应力同时作用下表现出来的。

在裂纹扩展区可以看到二次裂纹、结节伸长腔及疲劳辉纹。

断裂层上的混合条纹和裂隙珠光体是疲劳失效中铁素体-珠光体的一个典型特征。

图9裂纹扩展区电子扫描照片

图10显示了过载断裂区裂缝的典型特征（见标记OL），从图中可以看出，断口完全裂解成脆性面状，低韧性、低反射的材料。

用配有能谱仪的电子扫描仪对失效曲轴表面的裂纹进行半定量化学分析以测定失效曲轴的化学成分以及核实其它相关部件。

能谱分析表明损坏区并没有其它任何有害元素。

据上述观察可以明显看出疲劳裂纹始出曲轴的圆角区域。

一般说来，裂纹都是出现在圆角区，这是因为最大应力是出现在圆角区域。

此外，当曲轴在弯曲和扭转应力的作用下，圆角表面附近的石墨结节会以应力的方式集中。

我们都知道，如果显微组织中存在游离石墨及非球形石墨，不仅会导致高应力集中，而且会在短时间内引起疲劳裂纹。

当局部应力超过材料的屈服强度，就有可能形成疲劳裂纹，当材料的抗疲劳强度与屈服强度成比例时，球墨铸铁的疲劳性能降低，从而打开了疲劳破坏的开始。

图10过载断裂区电子扫描照片

研究清楚的表明，圆角区域在感应淬火过程中是没有完全硬化的，圆角处裂纹的低硬度值和具有石墨结节的铁素体-珠光体基质证明了这一假说。

由于圆角处发生的疲劳断裂是汽车发动机曲轴的主要失效方式，而表面滚压应用在曲轴圆角区能防止疲劳裂纹的发生，因此，近年来这种方法被广泛的应用。

通过对材料表面压缩残余应力及硬化的引入，从而减少了循环加载表面的拉应力。

4.结论

本次研究是针对一辆卡车发动机失效的曲轴，通过频谱分析、拉伸试验、硬化实验及金相检验，表明失效的曲轴材料是经过感应淬火和回火的EN-GJS-700-2球墨铸铁。

金属的组成结构在标准规范下并没有得到让人满意的结果。

但通过对断口特征的分析了解到曲轴是在旋转弯曲下断裂的，同时也得到裂纹是从曲柄臂圆角处开始断裂的，且疲劳裂纹是在循环载荷的条件下首先出现在圆角附近的石墨结节的边缘。

曲轴中未硬化的圆角和游离石墨及非球形石墨的存在使得疲劳强度降低，从而导致疲劳裂纹的出现，并向薄弱的区域传播，因此，曲轴会在短时间内失效。