摘 要:某汽車曲軸在進(jìn)行耐久測(cè)試時(shí)發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、掃描電鏡分析 和金相檢驗(yàn)等方法,對(duì)該曲軸的斷裂原因進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:該曲軸的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂, 裂紋起源于過(guò)渡R 處的表面,R 處尺寸偏小以及車刀加工紋路較深,增大了R 處的應(yīng)力集中,在運(yùn) 行時(shí),R 處萌生裂紋,在交變載荷的作用下,裂紋發(fā)生疲勞擴(kuò)展,最終導(dǎo)致曲軸斷裂。

關(guān)鍵詞:汽車曲軸;疲勞斷裂;過(guò)渡R;車刀紋

中圖分類號(hào):TB31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2023)03-0031-03

某汽車曲軸在裝機(jī)后進(jìn)行耐久測(cè)試時(shí)發(fā)生斷 裂,斷裂曲軸的宏觀形貌如圖1所示,該曲軸材料為 40Cr鋼。筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、掃描 電鏡(SEM)分析和金相檢驗(yàn)等方法對(duì)斷裂曲軸進(jìn) 行研究,查明了該曲軸的斷裂原因,并提出了改進(jìn)建 議,以避免該類問(wèn)題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

對(duì)曲軸斷口進(jìn)行宏觀觀察,結(jié)果如圖2所示,可 見(jiàn)斷裂位置為過(guò)渡R 處,斷裂面有一定的擦傷,無(wú) 塑性變形,除擦傷區(qū)域外的斷口較為平坦,斷口兩側(cè) 匹配性較好,R 處表面可見(jiàn)明顯的車刀紋。

1.2 化學(xué)成分分析

在斷裂曲軸上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如 表1所示,可見(jiàn)該曲軸化學(xué)成分符合 GB/T3077— 2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)40Cr鋼的要求。

1.3 SEM 分析

在曲軸斷口處截取試樣,進(jìn)行SEM 分析,結(jié)果 如圖3所示。由圖3可知:裂紋起源于R處表面,具有線源特征,R 處車刀紋明顯,左側(cè)裂紋源區(qū)有 機(jī)械擦傷特征,右側(cè)裂紋源區(qū)保存較好,未見(jiàn)后期機(jī) 械擦傷特征;裂紋擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)貝殼紋,放大可見(jiàn)大致 平行的二次裂紋和疲勞輝紋,符合疲勞斷裂的形貌 特征;斷口上無(wú)明顯的最終瞬斷區(qū)。

1.4 金相檢驗(yàn)

截取垂直于斷口的剖面試樣,經(jīng)鑲嵌、磨拋、 腐蝕后用體視顯微鏡進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖4所示, 可見(jiàn)斷裂 R 處的上方有硬化層,鍛造流線隨形 分布。

將該試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,拋光態(tài)形貌如圖5所示,顯微組織形貌如圖6所示。由圖5, 6可知:R 處尺寸(半徑)為0.38mm,略小于圖紙要求的(0.50±0.05)mm,且R 處車刀紋明顯;斷口 R 處和基體的顯微組織均為正常的回火索氏體。

2 綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知:斷裂曲軸材料符合 標(biāo)準(zhǔn)要求;曲軸斷裂于過(guò)渡R 處,R 處及附近表面 可見(jiàn)較為明顯的車刀紋;斷口裂紋起源于過(guò)渡R 處,具有線源特征,左側(cè)裂紋源區(qū)有機(jī)械擦傷特征, 右側(cè)裂紋源區(qū)保存較好,無(wú)后期的機(jī)械擦傷,裂紋擴(kuò) 展區(qū)可見(jiàn)貝殼紋,放大后觀察可見(jiàn)大致平行的二次 裂紋和疲勞輝紋,符合疲勞斷裂的微觀形貌特征[1]; 該斷裂曲軸的低倍組織正常,鍛造流線清晰,且隨形 分布,兩側(cè)感應(yīng)淬火區(qū)深度不一致,斷裂處感應(yīng)淬火 區(qū)的深度比較接近斷裂R 處的深度;R 處尺寸略小 于圖紙要求,斷口處和基體的顯微組織正常,為回火 索氏體。

綜上可知:該曲軸的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂,裂紋 起源于過(guò)渡R 處的表面,R 處尺寸偏小以及車刀加 工紋路較深,增大了R 處的應(yīng)力集中,在運(yùn)行時(shí),R 處萌生裂紋,在交變載荷的作用下,裂紋發(fā)生疲勞擴(kuò)展,最終導(dǎo)致曲軸斷裂。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

該汽車曲軸發(fā)生了疲勞斷裂,裂紋起源于過(guò)渡 R 處,R 處尺寸偏小以及加工車刀紋較深是導(dǎo)致曲 軸發(fā)生斷裂的主要原因。

3.2 建議

(1)嚴(yán)格控制加工質(zhì)量,在數(shù)控車削過(guò)程中,選 擇R 尺寸小于圖紙要求的刀尖,靠程序插補(bǔ)成需要 的R 尺寸,最終R 尺寸結(jié)果靠機(jī)床精度保證。

(2)建議圖紙?jiān)黾訉?duì)R 處表面粗糙度的要求, 將粗糙度檢驗(yàn)作為產(chǎn)品驗(yàn)收中的重要一環(huán),并嚴(yán)格 把控。

(3)時(shí)常檢查刀具的磨損情況,并及時(shí)更換。

參考文獻(xiàn):

[1] 王榮.機(jī)械裝備的失效分析(續(xù)前)第3講 斷口分析 技術(shù)(上)[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2016,52(10): 698-704.

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