内燃机连杆断裂分析

一客车发动机大修时，更换了连杆、活塞。在实际运行20天后，其中第三缸的活塞、连杆和紧固螺栓发生断裂，造成敲缸事故。其中2枚紧固螺栓一枚散失，一枚严重弯曲变形；连杆大端和半圆连杆盖均发生断裂(其中一块散落)，如图1所示。因活塞有明显后期被拉断迹象，故分析重点集中于连杆和紧固螺栓两部分。

对连杆和连杆盖圈的紧固螺母台阶进行着色探伤，除已断落两处外，其余两个台阶的转角均发现有，横贯平台的深度裂纹，见图2。半圆连杆盖上断口宏观形貌如图3所示。该断裂起源于紧固螺母平台的转角处，整个断口灰暗，呈细晶状。源区有许多台阶，由表向内发展。在扩展区出现圆弧状的贝纹线；中心部分有一白亮弧带区域，它是断口表面在该处反复挤压、摩擦而留下的痕迹。最后部分为快速断裂区。

在连杆盖圈裂纹附近径向截取金相试样。基体上未见较严重的夹杂物；裂纹较宽，纵深较长，缝中也未发现严重夹杂物。试样浸蚀后可看到基体组织为回火索氏体和网状分布的铁素体，裂纹周围组织与基体一致，未见氧化、脱碳或其他异常现象，如图4所示。

图5为断口源区在扫描电镜下形貌，同时可见边缘加工面上刀痕清晰、粗深，而每一开裂源均与刀痕有关。

在实物上取样进行化学分析，结果表明连杆材质为50钢。

从金相组织判断，该连杆基体组织不正常。连杆的显微组织应为均匀细小的索氏体组织，若出现铁素体，则只允许它以细粒状形态存在。因连杆中出现条状趋网分布的铁素体，降低了调质钢的综合力学性能，严重影响疲劳寿命。

综合对螺栓的分析进一步推断，可能由于螺栓松动，使连杆与连杆盖之间松动，在运行中不断受到冲击，尤其在螺孔平台转角处更承受到附加力矩冲击，在刀痕处产生多处疲劳裂纹源，并不断扩展，最终发生瞬间断裂。连杆基体中的网状铁素体，加速了裂纹萌发及扩展。

图1       实物

说明：发动机连杆及其盖圈在运行中断裂成两块；一枚螺栓失散，另一枚弯曲。

图2        实物

说明：半圆连杆盖圈开裂形貌。图左侧一块完全裂开；右侧箭头所指为着色探伤显现的裂纹。

图3          实物

说明：半圆连杆盖断口形貌。箭头指为裂纹扩展方向，裂纹起于平台直线。多源开裂，各自发展，形成许多小台阶。

图4   OMI   500×

说明：连杆基体组织及裂纹附近组织形貌。基体为回火索氏体和条状趋网分布的铁素体。裂纹两侧无氧化、脱碳现象，缝内也未有明显夹杂物。

图5   SEI   250×

说明：断口上裂纹源区形貌，呈多元开裂。图中平行粗条纹为加工刀痕，每个疲劳源均位于刀痕底部。