货车发动机曲轴断裂分析

发动机曲轴材料为稀土镁球墨铸铁，安装后使用不久发生断裂。曲轴断成三段，将缸体打坏，使整个发动机损坏。

断裂曲轴有两处断口，图1所示为1^#断口，断口较光滑，有擦伤痕迹，有疲劳贝纹线。断口的疲劳区较大，约占断面的2/3，裂源位于曲轴颈与曲臂的过渡圆角处，有放射状台阶条纹，属多源开裂。2^#断口（见图2）也为疲劳断口，但疲劳区较小，占断口面积1/3左右，瞬断区占面积较大，说明断裂时外应力较大。由此可推断1^#断口先断后，2^#断口处工作应力增大，随后发生断裂。2^#断口裂源也位于轴颈和曲臂的过渡圆角处，裂源处也有放射状条纹。

通过扫描电镜观察断口，发现两断口的疲劳源均有疏松，相比之下1^#断口源区的疏松更为严重，经放大后可看到其疏松贯连至曲轴颈处，在曲轴圆角处表面均能观察到疏松。

金相检验，石墨球化为3级，基体组织为珠光体，珠光体量大于85%，符合GB/T9441-1988标准。

分析结果表明：曲轴断裂是由材料中的疏松引起的疲劳断裂。对于球墨铸铁曲轴不允许在圆角处存在疏松、夹渣等缺陷的，这种缺陷分布在圆角处，使该处应力集中现象增加，使用过程中易成为疲劳源而引起断裂。

图1

说明：1^#断口宏观形貌，箭头所示为疲劳源区，经测量疲劳区宽为110mm，深为21mm，占整个断口面积的2/3以上。因此可说明该断口属低应力高周疲劳断裂，但在疲劳源处有多条台阶条纹，说明裂源处有应力集中现象。

图2

说明：2^#断口宏观形貌，疲劳源处也有台阶条纹，箭头所示为疲劳源，但此断口疲劳区较小，经测量宽为30mm，深为9mm。由此可判断1^#断口先断，2^#断口后断。

图3

图4

说明：图3为1^#断口裂源处扫描电镜图像，断口裂源处已被严重擦伤，断面显得非常光滑，但由于疏松区常为空洞，故在断面被擦伤时仍有部分原始形貌被保留下来。图3中可观察到多处被保留的疏松区。

图4为其中一疏松的局部放大，可观察到卵形晶粒。由此可说明疲劳源为疏松。

图5

说明：为1^#断口另一处疲劳源形貌，断口被严重擦伤，疲劳源也为疏松。

图6

说明：为图5中疏松的放大，可看到表征疏松的卵形晶粒。

图7

说明：疲劳源区的疏松在圆角附近的曲轴颈表面也观察到，见图7中箭头所示处。图中平行条纹为轴颈表面的磨加工条纹。说明该曲疏松较严重。

图8

说明：为曲轴断口未损伤区的微观形貌，有疲劳辉纹。

图9

说明：曲轴2^#断口扫描电镜形貌。图9为疲劳源区低倍形貌，疲劳源位于转角处，该处放大后有疏松特征。

图10

说明：为不同位置的处疏松形貌。

图11

说明：为不同位置的疏松形貌。

 图12

说明：为断口疲劳扩展区形貌，有疲劳辉纹特征。由这组照片说明2^#断口也是由疏松引起疲劳断裂。