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江铃铸造厂 (南昌 330001) 戴 波 彭芳梅
南昌冶金建设有限公司 (南昌 330012) 谢雨田
摘 要 利用XJG-05金相显微镜及大型金相图象分析仪对曲轴断口的断裂源、扩展区的组织进行金相显微分析，并利用EPM-810Q电子探针、扫描电镜、 PV9100能谱仪，在加速电压20kV，束斑电流0.01～0.5nA的条件下，对曲轴断口的断裂源、扩展区的形貌特征进行了扫描观察和微区成分定性定量分析，得出了曲轴圆角处次表层较严重的磨削裂纹和较高的残余应力是造成曲轴早期疲劳韧性断裂重要原因。
关键词 球铁 曲轴 断口 疲劳韧性断裂 应力集中
0 前言
曲轴是汽车发动机的关键零件，它将活塞的往复运动转变为旋转运动，如果在服役中突然发生断裂，将会酿成严重事故。因此曲轴工作的安全可靠性直接关系到汽车的正常运行和行车安全。本文应用金相显微分析技术及电子显微技术，分析了曲轴断口断裂特征和断裂原因。
1 概况
我厂生产的一根曲轴(标识为011227-01)在江铃发动机厂精加工过程中发生断裂。断裂的发生从第4连杆轴颈和第4主轴颈之间的扇板与主轴颈连接的圆角处开始，然后分别沿主轴颈横断面及曲轴扇板横断面扩展并向两翼方向发展，最后分别与主轴轴颈中心线及曲轴扇板平面成45°度角瞬间断裂。该曲轴材质为 QT800-2球墨铸铁，主轴颈直径60mm，连杆轴颈53mm，扇板宽120mm，扇板厚20mm，扇板与扇板之间的间距35mm，主轴颈与扇板圆
角半径2.7mm(比设计要小0.3mm)，连杆轴颈与扇板圆角半径2.0mm。
按曲轴材质检验技术要求对断裂曲轴断口部位进行化学成分、机械性能、金相的复检，并对曲轴断口进行金相图象显微分析及电子显微分析。
2 化学成分、机械性能的复检
2.1 利用DV-5光谱义对曲轴断口部位化学成分进行复检。结果见表1。
2.2 利用万能液压拉力试验机、布氏硬度计、冲击试验机对曲轴断口部位机械性能进行复检。结果见表2。
由表1、表2可见，标识为011227-01之断裂曲轴的化学成分、机制性能符合技术要求。
3 金相组织复检及金相图象显微分析
3.1 利用XJG-05金相显微镜对曲轴断口部位组织进行复检。结果见表3。
由表3可见，标识为011227-01之断裂曲轴的金相组织符合技术要求。
3.2 利用大型金相图象分析仪对曲轴断口部位进行金相图象显微分析
对曲轴断裂部位残片不同角度的低倍观察发现，断裂发生的裂纹源位于机械加工的台阶处，且在此处可见到明显的锈斑，是裂纹萌生、发展并一步导致断裂的根本原因。
对断裂部位残片的进一步组织观察发现，靠近车削加工台阶的断口边缘处亦可见到明显的微裂纹，裂纹呈人字形分叉形态(图1)，为典型的应力集中型裂纹。(图 2、3为石墨的形态与分布，从图中可以看出，该断裂曲轴中石墨形态圆整，分布均匀。由图4、5可看出明显的珠光体片层组织，说明该断裂曲轴为珠光体球墨铸铁，其组织为珠光体基体上均匀分布着形态圆整的石墨。组织中未发现夹杂、气孔等缺陷。该断裂曲轴组织状态良好。
4 电子显微分析
4.1 实物断口试样的制备:分别从主轴颈断裂部位、曲轴扇板断裂部位用切割机切出三个15mm×15mm×30mm的试块。先用丙酮清洗试样表面的油污和其它有机物，浸泡在200ml无水酒精中超声波清洗30min后用吹风机吹干，然后装入电子探针样品室。在加速电压20kV，样品电流0.01～0.5nA条件下，扫描观察断口表面二次电子图象。
4.2 经扫描观察发现，该曲轴断口有多处疲劳源、较清楚的扩展区、终断区和内裂及二次裂纹等。
1) 对曲轴断裂部位原始残片不同角度的低倍观察发现:断裂发生的裂纹源位于经过机械加工的台阶处，且在此裂纹源处可见到明显的锈斑，说明此处最先发生微裂纹，是裂纹萌生、发展并进一步导致断裂的根本原因。扫描观察此疲劳裂纹源(图6、图7)，见源区呈暗灰色并伴有相当多的放射状台阶及与之相垂直的较细密的河流花样条纹。用能谱仪对曲轴断裂部位进行微区定性定量分析，结果为:
微区定点分析:
SiK(硅) 2. 42 %、SK(硫) 0. 08 %、CrK(铬) 0. 58 %、
MnK(锰) 0. 41 %、MoK(钼) 0. 25 %、CuK(铜) 0. 50 %、
MgK(镁) 0. 04 %、PK(磷) 0. 06 %、FeK(铁) 78. 06 %。
注:“K”为K电子层。
微区面分析:
SiK(硅) 2. 45 %、SK(硫) 0. 10 %、CrK(铬) 0. 55 %、
MnK(锰) 0. 39 %、MoK(钼) 0. 21 %、CuK(铜) 0. 46 %、
MgK(镁) 0. 04 %、PK(磷) 0. 05 %、FeK(铁) 78. 52 %。
注:“K”为K电子层。
对疲劳裂纹源的电子显微分析表明，曲轴断裂部位微区化学成分符合技术要求，没有夹杂，气孔等缺陷产生。
2) 靠近断裂源2mm处的微区形貌中有明显的内裂及二次裂纹(图8);断裂面一侧靠边缘处有较密集的放射状台阶区及河流花样，并有明暗交替的疲劳条痕，其间距约为0.1mm(图9)。说明曲轴的断裂为脆性解理断裂，河流花样的流向与裂纹扩展方向一致，故可根据河流花样的流向确定在微观范围内解理裂纹的扩展方向，而按河流花样流向的反方向去寻找断裂源。由此确定的断裂源与低倍观察的结果一致。
3)第4连杆轴颈和第4主轴颈之间的扇板与主轴颈连接的圆角处的加工刀痕呈尖角状(图10)，圆角半径比原设计要小10%，由此而引起的应力集中是导致曲轴疲劳破坏的根本原因。
5 结论
5.1 从曲轴断口的金相图象显微分析及电子显微分析可以看到断口的人字形分叉形态裂纹、断裂放射状台阶、疲劳条痕、河流花样状波纹线等，这正是曲轴疲劳破坏的特征形貌，因此可以确定该曲轴系早期疲劳断裂。观察到的疲劳源主要位于第4连杆轴颈和第4主轴颈之间的扇板与主轴颈连接的圆角处，由于加工圆角半径比原设计要求小，且存在加工的刀痕，而此处乃是应力集中敏感的部位，从而使应力强度因子大大增加，加速了裂纹的扩展。一旦圆角处出现裂纹，其扩展速度非常迅速，曲轴在短时间内就会发生断裂。因此，应力集中是导致曲轴断裂的根本原因。故在机械加工过程中，保证圆角半径尺寸和粗糙度要求是提高曲轴疲劳强度，防止曲轴失效的有效措施。
5.2 从曲轴断口检测分析得出:该曲轴断口部位材质符合技术要求，没有夹杂、气孔等缺陷。
5.3 曲轴的受力状态较为复杂，一般是承受弯曲旋转组合应力。在实际工作中大多数情况是以弯曲应力为主引起断裂。静态和动态应力测定资料表明，扇板与轴颈圆角处的弯曲应力比轴颈中央部位高数倍，可见曲轴扇板与轴颈过度区应力最为集中。这里正是曲轴断裂源萌生之处，最后约成45°方向断裂。
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