内燃机曲轴断裂分析

小功率内燃机曲轴，由40Cr钢锻造成型后，经调质处理（轴颈处渗氮）。该曲轴在运行10h后，在装飞轮端，从键槽顶端沿45°方向发生开裂，裂纹在螺纹起始端终止，见图1。同时，在断裂区外圆上可见有5.0mm左右的环形带，环形带表面损伤明显。

两匹配断口的边缘有不同程度擦伤。断口一部分较粗糙，未见明显变形，但可见弧形台阶状条纹。由弧形线发展的反方向寻得开裂源，在槽的转角处，见图2,和图3。

在断口的键槽（截面）底部发现较多裂纹，有的已成网状，有的长达4.5mm；裂纹内可看到有夹杂物，见图4。基体组织为回火索氏体和少量铁素体。

在扫描电镜下，键槽的底角处可见平行的裂纹推进线及塑性变形特征，见图5。在裂纹扩展区，断口有粗大疲劳条纹和局部的撕裂棱及二次裂纹，见图6.和图7。

经检测，曲轴材质及渗氮工艺均无异常现象。

由于键槽底部正处于应力集中区，而该处又存在夹杂物；同时，由断口外圆的压痕环形貌推断，飞轮与轴吻合接触面不理想（未达到有效长度2.2mm），造成作用在轴上的应力增大，在短时内产生疲劳裂纹，最终导致高应力低周次扭转疲劳断裂。

图1

说明：断裂曲轴实物形貌，箭头所示处为断裂处，该处装配飞轮，断裂与轴向成45°角。

图2

说明：从曲轴上断下的一端断口形貌，箭头所示处为裂源，该处系键槽的尖角处。断口具有明显的呈纤维状的弧线，为高应力低周疲劳特征。

图3

说明：与图2中断口相匹配的另一端断口宏观形貌。可见断面与曲轴轴向成45°角，说明断裂时主要受切向应力作用，断口上同样有纤维状弧线，该断口属高应力作用下的扭转疲劳断口。

图4

说明：曲轴裂源部位键槽处显微组织形态，试样经4%硝酸酒精溶液浸蚀。图中有数条起始于键槽尖角处的裂纹，并可见裂纹呈网状和沿夹杂分布扩展的形态。显微组织为回火索氏体和少量铁素体。

图5

图6

图7

说明：曲轴断口扫描电镜图像。

图5为裂源处形貌，具有平行条纹及塑性变形特征，这种在疲劳源区出现塑性变形的特征常出现在高应力低周疲劳断口上。

图6为图5的局部放大像，有塑性变形特征及凹坑内充有夹杂物。

图7为断口裂纹扩展区形貌，有粗大的疲劳辉纹并伴有韧窝，为高应力低周疲劳断口的微观特征。