曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零部件，曲軸質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與使用壽命。其工作環(huán)境十分惡劣，不僅要承受周期性不斷變化的交變載荷產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)和橫向與縱向振動(dòng)作用，同時(shí)還要承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊等多種應(yīng)力以及高溫及腐蝕的影響。因此，曲軸一般情況下要通過軸頸表面淬火和圓角滾壓、軸頸及圓角感應(yīng)淬火、離子氮化或者氮碳共滲等工藝來提高曲軸強(qiáng)度、剛性、韌性和耐磨性。
此曲軸材料為40Cr，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示，曲軸整體熱處理方式為調(diào)質(zhì)處理，硬度要求254 ～ 285HB。表面強(qiáng)化熱處理工藝為氮碳共滲，滲層深度≥0.4mm，表面硬度≥500HV。主要工藝流程為：下料→加熱→鍛造→正火→調(diào)質(zhì)→探傷→機(jī)加工→氮碳共滲(軟氮化)→精加工(軸頸拋光)。
斷口分析
斷口宏觀分析
曲軸斷口位于輸出端第三主軸頸與第二連桿頸交接圓角處（以下簡稱下止點(diǎn)），為曲軸危險(xiǎn)截面區(qū)域，斷口與曲軸軸向成一定角度(約45°)，宏觀形貌如圖2 所示。在斷口上可觀察到疲勞貝紋線，根據(jù)貝紋線可確定斷口屬于疲勞斷口如圖2(b)所示。貝紋線顯示不太明顯，疲勞擴(kuò)展區(qū)斷口平整，呈現(xiàn)高周疲勞斷裂特征。
疲勞源位于連桿頸下止點(diǎn)圓角處，在圓角處自小半個(gè)圓周范圍內(nèi)均可以看到由于多處疲勞源起裂形成棱線，因此說明曲軸斷口為多源疲勞，連桿頸下止點(diǎn)的半個(gè)圓周內(nèi)均為疲勞源。裂紋沿連桿頸下止點(diǎn)曲柄與軸頸圓角處延伸至軸頸表面出現(xiàn)瞬斷，瞬斷區(qū)表面較粗糙，瞬斷區(qū)域面積較大，占斷口總面積的2/3，說明曲軸是由于負(fù)載過大或者本身材料強(qiáng)度較低導(dǎo)致的疲勞斷裂。
表面粗糙度檢測
曲軸斷口附近用在線測量儀檢測零件表面粗糙度，表面粗糙度Ra 的值為1.59μm，觀察顯示，表面機(jī)加工痕跡較淺，表面光滑，未見明顯磨損現(xiàn)象。
無損探傷
曲軸斷裂件經(jīng)CDG-4000 型熒光磁粉探傷機(jī)檢驗(yàn)，在曲軸圓角處發(fā)現(xiàn)橫向裂紋，裂紋長度約40mm，沿曲軸連桿頸徑向分布，如圖3 所示。
微觀分析
化學(xué)成分檢測
在距曲軸表面20mm 處取試樣，采用碳硫分析儀和直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果見表1。曲軸材料符合GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求。
低倍組織檢測
在曲軸軸頸處取φ110mm×15mm的低倍試樣，用50%的熱鹽酸浸蝕后檢驗(yàn)曲軸材料的低倍組織試片，目視未見縮孔、氣泡、夾雜、裂紋、翻皮、白點(diǎn)、晶間裂紋等缺陷，酸浸低倍組織級別檢測結(jié)果見表2，結(jié)果顯示曲軸材料符合要求。
非金屬夾雜物
曲軸軸向取樣，按GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》的ISO 評級圖評定樣塊非金屬夾雜物，檢測情況見 表3，符合材料采購標(biāo)準(zhǔn)。
金相組織
在斷口處分別取1#、2#、3#試樣，用蔡司Axio Lab A1 金相顯微鏡進(jìn)行金相分析。1#試樣基體金相組織為均勻的回火索氏體+少量貝氏體和鐵素體，為正常的調(diào)質(zhì)組織。按GB/T 13320-2007《鋼質(zhì)模鍛件金相組織評級圖及評定方法》評級3 級，符合技術(shù)要求。
依據(jù)GB/T 11354-2005 《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，使用亞硒酸+鹽酸+乙醇溶液對試樣腐蝕后，在金相顯微鏡下觀察各試樣氮化層情況：2#試樣取樣位置為裂紋源處，其氮化層深檢測情況見圖6、圖7：從圖6 中可以看出，軸頸表面有明顯氮化層，氮化層連續(xù)，但呈現(xiàn)不均勻狀態(tài)，用金相法測量其層深，層深范圍0.15～0.2mm，低于曲軸氮化層深≥0.4mm 的技術(shù)要求。圖7 為圓角處氮化層情況，軸頸向圓角過渡區(qū)域已出現(xiàn)氮化層逐漸變淺現(xiàn)象，到圓角處已無氮化層。
