疲劳断裂的案例分析

2022-12-16

广东某摩托车厂一辆摩托车在运行了2000km后发生机械故障，经拆机检查，发现发动机曲轴连杆断裂。

据悉该连杆材料为20CrMnTi，表面经过渗碳处理。

连杆工作原理见图1，连杆的往返运动带动两传动曲轴转动。

20CrMnTi是合金结构钢，含碳量0.2%左右，含锰1%左右，含钛1%左右。这种材料一般做轴类零件，要求渗碳。

图1

1.宏观检查

失效连杆件有两个断口在连杆断裂端的轴承弧面可见许多与断口平行的裂纹[图3(a)]；

断裂端一侧面存在强烈磨擦痕迹[图3(b)]，磨损深度0.5mm；

轴承弧面靠近磨擦侧面一端可见蓝灰色的高温氧化痕迹[图3(c)] 。

断口1较为光滑平整，断口边缘已磨损，中部可见疲劳弧线[图3(d)]；

断口2未见疲劳弧线。

图3

2.扫描电镜分析

断口1在扫描电镜下显示疲劳弧线[图4(a)]；

根据弧线的走向可以找到疲劳源，疲劳源在[图4(d)]右上方拐角处，局部放大，源区的细微组织大部分已磨损，但能看到放射棱特征[图4(b)]；

在疲劳扩展区可见疲劳条纹及二次裂纹[图4(c)]；

断口2未见疲劳条纹，只有韧窝，可见断口1是最先开始断裂的断口，而断口2是二次断口。

图4

3.化学成分

在连杆身部位取样，进行化学成分(质量分数，%)分析，结果符合GB/T3077—1999 20CrMnTi的化学成分要求。

4.结果分析

综合上述检验结果，失效件材料化学成份符合技术条件要求。

连杆断裂端一侧面出现非正常严重磨擦现象，轴承弧面靠近磨擦面一端出现的蓝灰色的氧化膜，是黑色氧化铁（Fe₃O₄）及红色氧化铁（Fe₂O₃）的混合体，其形成温度在400℃以上。表明该连杆与一输出轴之间的磨擦导致该区域温度过热。

断口扫描电镜分析表明断口疲劳裂纹源在氧化膜附近的拐角处，正处于高温区域。表面氧化会使裂纹产生的机会增加，同时高温提高了蠕变损伤的可能性。

另一方面磨擦导致金属表面粗糙，容易形成表面应力集中，增大疲劳源产生的可能性。

断裂起源往往发生在拉应力最大的层面上。从连杆运动受力情况分析，断口1的断面所受的拉应力最大，容易在此断面靠近磨擦面的拐角处形成裂纹源。同时由于该区域存在较粗大的状碳化物，破坏了基体组织的连续性，加速了裂纹的形成和扩展，降低了疲劳强度，最终导致了疲劳断裂。

连杆渗碳表面的碳化物过大与渗碳工艺不当有关。粗大的块状碳化物主要是由于碳浓度过高造成的，特别容易在工件尖角处形成，导致零件寿命显著下降。

因此在渗碳过程中应注意严格控制渗碳气氛的碳势，以免过高的碳势引起工件表面形成粗大的碳化物。

5.结论

曲轴连杆断裂属疲劳断裂，引起断裂的原因是在使用时连杆受到剧烈磨擦，导致局部区域应力集中及温度过高，降低了材料的疲劳强度。连杆拐角处表面的较大块状碳化物加速了裂纹的萌发及扩展。

6.改进

设计时减少摩擦处的粗糙度，可以减少应力集中，降低零件的疲劳强度。同时减少摩擦带来的高温，减少了蠕变损伤的可能性。

改善渗碳工艺，连杆渗碳表面的碳化物过大与渗碳工艺不当有关。粗大的块状碳化物主要是由于碳浓度过高造成的，特别容易在工件尖角处形成，导致零件寿命显著下降。

因此，在渗碳过程中应注意严格控制渗碳气氛的碳势，以免过高的碳势引起工件表面形成粗大的碳化物。