某曲軸在服役過(guò)程中發(fā)生開裂現(xiàn)象,筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、微觀分析等方法對(duì)某開裂曲軸進(jìn)行分析,以防止該類問(wèn)題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

曲軸宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：其中一節(jié)軸表面存在裂紋。 

圖  1  曲軸宏觀形貌

截取的開裂處試樣宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：曲軸表面存在明顯的環(huán)向磨損痕跡,部分區(qū)域發(fā)黑[見圖2a)],分析認(rèn)為該區(qū)域是由摩擦高溫導(dǎo)致的；裂紋面整體較為潔凈,未見異物覆蓋,裂紋面上可見疲勞條帶,呈疲勞斷裂的宏觀形貌特征,疲勞條帶的收斂位置為裂紋源區(qū),說(shuō)明裂紋起源于曲軸表面。 

圖  2  截取的開裂處試樣宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

在曲軸基體處取樣,并對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。 

1.3   力學(xué)性能測(cè)試

在曲軸基體1/2半徑位置截取縱向拉伸試樣、沖擊試樣和硬度試樣,并對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如表2所示。 

1.4   微觀分析

在斷口上截取試樣,將試樣清洗后,對(duì)試樣進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜分析,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：裂紋源區(qū)銅、錫、鉛等雜質(zhì)元素含量較高；裂紋擴(kuò)展區(qū)可見大致平行的二次裂紋,呈疲勞斷裂的微觀形貌特征。 

圖  3  斷口SEM形貌及能譜分析結(jié)果

截取裂紋源區(qū)的剖面,制備金相試樣,將試樣鑲嵌、磨拋后,置于光學(xué)顯微鏡上觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：裂紋源區(qū)覆蓋著一層其他物質(zhì)；主裂紋附近表面可見較多與主裂紋平行的微裂紋,放大觀察可見裂紋內(nèi)有銅黃色物質(zhì)填充。 

圖  4  裂紋源區(qū)微觀形貌

對(duì)剖面金相試樣進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：主裂紋面上的覆蓋物與微裂紋內(nèi)的填充物成分均為較高含量的銅、錫、鉛元素中的一種或者幾種,分析認(rèn)為這些物質(zhì)來(lái)源于與曲軸開裂位置配合的銅合金軸瓦。 

圖  5  金相試樣拋光態(tài)SEM形貌與能譜分析結(jié)果

將剖面金相試樣用化學(xué)試劑腐蝕,再將其置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：試樣表面和心部顯微組織均為回火索氏體。 

圖  6  金相試樣顯微組織形貌

1.5   顯微硬度測(cè)試

采用2.942 N試驗(yàn)力對(duì)試樣表面與心部進(jìn)行維氏硬度測(cè)試,表面硬度分別為385,380,384 HV,相當(dāng)于40.3,39.9,40.3 HRC；心部硬度分別為266,273,275 HV,相當(dāng)于27.9,28.0,28.3 HRC。由硬度測(cè)試結(jié)果可知,心部硬度符合正常回火索氏體的硬度,表面的硬度偏高。 

2.   綜合分析

(1) 人工打開的裂紋面經(jīng)清洗后整體較為潔凈,未見異物覆蓋,裂紋面可見疲勞條帶,呈疲勞斷裂的宏觀形貌特征,疲勞條帶的收斂位置為裂紋源區(qū),說(shuō)明裂紋起源于曲軸表面[1]。 

(2) 裂紋源區(qū)的能譜分析結(jié)果表明：裂紋源區(qū)有較高含量的銅、錫、鉛等雜質(zhì)元素；裂紋的擴(kuò)展方式為疲勞擴(kuò)展。 

(3) 主裂紋的裂紋源區(qū)覆蓋有銅黃色物質(zhì)層,附近表面可見較多與主裂紋平行的微裂紋,微裂紋附近存在疏松狀的孔洞,這些微裂紋與孔洞內(nèi)均可見銅黃色物質(zhì),經(jīng)能譜分析可知該物質(zhì)中含有銅、錫、鉛中的一種或者幾種元素,并且含量較高；腐蝕后金相試樣表面與心部組織存在明顯區(qū)別,經(jīng)顯微硬度測(cè)試可知表面硬度偏高。 

(4) 綜合分析認(rèn)為,曲軸在使用過(guò)程中發(fā)生潤(rùn)滑不良,導(dǎo)致其與銅合金軸瓦之間發(fā)生摩擦現(xiàn)象,摩擦產(chǎn)生的高溫使曲軸表面發(fā)生相變,導(dǎo)致硬度升高。由于銅的熔點(diǎn)較低,銅板局部熔化,液相銅沿著奧氏體晶界向曲軸基體內(nèi)滲透[2],在曲軸表面形成較多填充有銅合金組成物的微裂紋,隨后這些微裂紋在曲軸繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的工作應(yīng)力作用下以疲勞方式擴(kuò)展,導(dǎo)致曲軸開裂。 

3.   結(jié)論與建議

(1) 曲軸與銅合金軸瓦之間的摩擦高溫導(dǎo)致異種金屬滲入,在曲軸表面形成較多填充有銅合金組成物的微裂紋,隨后這些微裂紋在曲軸繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的工作應(yīng)力作用下以疲勞方式擴(kuò)展,導(dǎo)致曲軸開裂。 

(2) 加強(qiáng)對(duì)曲軸潤(rùn)滑情況的監(jiān)測(cè),以避免曲軸在潤(rùn)滑不良的情況下繼續(xù)運(yùn)作。

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