曲軸是柴油機最重要的部件之一,也是柴油機中質量最大、長度最長的部件,其形狀復雜、技術要求嚴格,是柴油機中造價最高的零部件之一。曲軸的作用是將柴油機各缸發出的熱量匯集起來,并以回轉運動的形式傳遞出去。因此在柴油機運轉時,曲軸會受到較大的周期性扭轉力和彎曲、壓縮載荷力。在多種外力疊加的作用下,曲軸易發生扭轉和彎曲變形,以及裂紋和折斷等故障。曲軸軸頸還容易受到摩擦副的磨損作用。因此曲軸應有較高的加工精度和粗糙度,軸頸處應具有良好的耐磨性、潤滑性,更重要的是還要有足夠的強度和剛度。 

某型柴油機運行時突發滑油進機低壓報警,隨即發生滑油進機低壓安保降速和停車。船員停機檢查發現曲軸的1道曲柄銷處存在2條裂紋(見圖1)。該曲軸使用時間約為21 000 h。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了該曲軸開裂的原因,以避免該類問題再次發生。 

圖  1  曲軸1道曲柄銷的宏觀形貌

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

曲軸宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：開裂軸段曲柄表面可見大量環向的磨損痕跡,相鄰的另外兩段曲軸表面均未見明顯的磨損痕跡。 

圖  2  曲軸的宏觀形貌

將曲軸沿裂紋人工打開,對斷口進行宏觀觀察,結果如圖3所示。由圖3可知： 裂紋源所在位置為曲柄銷和曲拐的過渡R處的腐蝕坑,該處與連桿軸瓦接觸不到,因此可以排除因連桿軸瓦和曲柄磨損造成曲軸開裂的原因；裂紋擴展區可見明顯的疲勞貝紋線,呈疲勞斷裂的宏觀形貌特征[1]。其他非裂紋源區域也存在較多的腐蝕坑(見圖4)。 

圖  3  曲軸斷口宏觀形貌

圖  4  其他非裂紋源區域的宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在開裂曲軸上取樣并對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：開裂曲軸的化學成分符合技術要求。 

1.3   金相檢驗

在曲軸裂紋源處剖面截取金相試樣,將試樣進行腐蝕處理,然后置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖5所示。由圖5可知：曲軸表面與心部的顯微組織均為回火索氏體,顯微組織存在一定偏析。 

圖  5  曲軸的顯微組織形貌

1.4   力學性能測試

在開裂曲軸的相鄰軸段上取樣并對試樣進行力學性能測試,結果如表2所示。由表2可知：曲軸的各項力學性能均符合相關技術要求。 

1.5   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

利用掃描電鏡對曲軸斷口進行觀察,結果如圖6所示。由圖6可知：裂紋源處被完全擦傷,無法觀察原始裂紋形貌,R處表面可見明顯的腐蝕坑；裂紋擴展區可見大致平行的二次裂紋及疲勞輝紋,呈疲勞斷裂特征。 

圖  6  曲軸斷口的SEM形貌

對裂紋源區的腐蝕坑進行SEM觀察,并對腐蝕產物進行能譜分析,結果如圖7,8所示。由圖7,8可知：腐蝕產物中主要含有氯、硫等腐蝕性元素。 

圖  7  腐蝕坑的SEM形貌

圖  8  腐蝕坑的能譜分析結果

過渡R處其他腐蝕坑的SEM形貌如圖9所示,可見在腐蝕坑底部已經有裂紋萌生并擴展。 

圖  9  過渡R處其他腐蝕坑的SEM形貌

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結果可知：開裂曲軸的化學成分和力學性能均滿足相關技術要求；曲柄表面可見大量環向的磨損痕跡,開裂起源于曲柄與曲拐過渡R處,該位置無法與連桿軸瓦接觸,因此判斷曲柄表面的磨損是在曲軸開裂后,軸瓦和曲柄間隙變小而產生的異常磨損；裂紋源可見明顯點腐蝕坑,裂紋擴展區可見貝紋線,因此該開裂為典型的疲勞開裂。疲勞擴展區可見大致平行的二次裂紋及疲勞輝紋,符合疲勞斷裂的微觀形貌特征。裂紋源的腐蝕坑中可檢測到腐蝕性較強的硫、氯元素,說明曲軸表面在腐蝕介質的影響下發生了點腐蝕。除主裂紋外的其他腐蝕坑底部也可見裂紋的萌生及擴展。 

曲軸在曲柄與曲拐之間過渡R表面處發生了腐蝕,形成了腐蝕坑,同時過渡R處也是曲軸工作時受應力較大的敏感位置。 

開裂曲軸表面在含有硫、氯等腐蝕性元素介質的作用下發生了點腐蝕,形成了較多的腐蝕坑。曲軸的曲柄與曲拐之間過渡R處為曲軸工作時受應力較大的敏感位置,因此過渡R處的腐蝕坑成為疲勞源,在使用過程中,曲軸受到旋轉和彎曲交變應力的作用,腐蝕坑以疲勞的方式開裂并擴展,最終導致曲軸開裂。曲軸開裂后,曲柄與軸瓦之間的間隙變小,從而使曲軸發生異常磨損,導致曲柄產生大量環向摩擦痕跡[2]。 

3.   結論

曲軸開裂的原因為：曲軸表面在腐蝕性介質的作用下發生了點腐蝕,形成較多腐蝕坑,在旋轉和彎曲交變應力的作用下,腐蝕坑以疲勞的方式開裂并擴展,最終導致曲軸開裂,且曲軸開裂后與軸瓦發生了相互磨損。 

文章來源——材料與測試網