mwmb缸連桿軸頸斷裂事故分析

mwmb缸連桿軸頸斷裂事故分析

作為漁船主機，mwmdtd234v6發(fā)動機軸在1997年11月開始安裝，直到1998年1月才發(fā)生軸斷裂。錯誤發(fā)生在b1鼓軸的頸，這是典型的早期錯誤。該曲軸采用42CrMoA電渣重熔鋼制造,其主要工藝流程為:下料→模鍛→調質→冷加工→中頻感應淬火→回火→精磨.其模鍛件由模鍛件廠供貨,其他工序在柴油機生產廠完成.中頻淬火只對軸頸平直鍛進行,軸頸與曲柄連接的過渡圓角部件,因后續(xù)磨削工藝裝備尚未完善而不進行中頻淬火處理.按技術條件規(guī)定軸頸經表面淬火后,其硬度達58-61HRC.MWM機型是我國近年來引進的柴油機系列產品,目前正處于技術消化和應用推廣階段,其生產過程中,因某些工藝環(huán)節(jié)尚存在不盡完善或不太合理的地方而影響產品質量,導致個別零件早期失效,是在所難免的,屬于發(fā)展中的問題,需在實踐中不斷改進,日臻完善,完成國產化過程.但該MWMV6機因曲軸斷裂,使整機壽命只有幾十個小時,當屬嚴重的質量事故.對此類事故,若不查明原因,采取改進措施,防止類似事故重復發(fā)生,該產品將喪失其機械產品信譽和競爭能力.本文報告是對該曲軸失效分析的結果.1結果與分析1.1宏觀斷口與裂紋該連桿軸頸靠近斷口一端嚴重磨損,表面粗糙,呈焦油色,該區(qū)域內的斷口表面也呈焦油色,整個斷口表面較粗糙,部分呈粗造的貝紋花樣,貝紋間隔為3～5mm,屬疲勞斷裂區(qū);部分為靜斷區(qū),呈暗灰色,其中兩處有石狀斷口特征.疲勞區(qū)約占斷口總面積62%.宏觀斷口如圖1所示.裂紋源位于軸頸圓角表面嚴重磨損的一端,距曲柄平面5mm處.裂紋由軸頸表面開始,一部分沿與軸線成45°角方向向軸頸內擴展;另一部分向曲柄內擴展,約10mm之后轉折方向,也沿與軸線成45°角方向向軸頸內擴散,整個裂紋穿過軸頸上的油孔,最后在軸頸上形成斜斷口.軸頸/曲柄圓角處未淬火區(qū)為從圓角根部向軸頸內約10mm范圍,其硬度為24～30HRC;軸頸淬火區(qū)的表面硬度為40～46HRC,心部為24～30HRC.顯然,該曲軸淬火后的表面硬度遠未達到技術要求,其非淬火帶尺寸也大于工藝中所要求的5.7+1mm.1.2暗灰色灰色裂紋開始于軸頸/曲柄圓角處的非淬火帶上,裂紋源處斷口平坦,光滑,呈暗灰色;在其一側有臺階特征,呈放射狀,另一側有貝紋特征的弧線.裂紋源處掃描斷口形貌如圖2所示,呈沿晶斷裂特征,晶粒粗大.表明裂紋在被削弱的晶界開始并沿晶界快速擴展的情況.1.3顯微脫碳與晶界開裂1)圖1中箭頭所指處為石狀斷口區(qū),該區(qū)距軸頸表面約6mm,在此切取金相試樣,在未經侵蝕的徑向截面上,可觀察到尺寸非常粗大的晶界氧化物和晶界開裂,如圖3所示.在圖3(a)中夾雜物上選不同形態(tài)的2點作能譜分析,結果列于表1,表明該夾雜物為氧化物.氧化物夾雜伸長方向和晶界開裂方向與曲軸流動方向一致,可以認為這些缺陷是存在于鍛件中的.2)對圖3(a)中氧化物夾雜與基體邊界處測定顯微硬度,結果列于表2,表明氧化物附近基體有輕微脫碳.對圖3(b)中黑色區(qū)域測定顯微硬度,表明該處是空洞(即已開裂),其附近基體顯微硬度列于表2,表明在開裂的晶界附近有一定程度的脫碳.在該斷口附近還可觀察到大面積的夾雜物群,如圖3(c).3)圖1中雙箭頭所指處切取金相試樣,在與軸線垂直的截面上,經飽和苦味酸浸蝕后的組織如圖4.圖中顯示的是距軸頸表面約3mm處的情況:晶粒較粗大,沿晶界有大量夾雜物析出(圖4(a)),甚至還有局部晶界開裂(圖4(b)).該試樣經硝酸酒精溶液浸蝕后的組織如圖5,圖中顯示在淬硬層與心部過渡區(qū)附近存在大量沿晶界分布的夾雜物質點:能譜分析表明,這些夾雜物系氧化物及硫化物.這是由于終鍛溫度過高,在鍛后停留過程中形成的.4)樣心部較清潔部分的顯微組織為回火索氏體組織,如圖6,圖中仍可以比較清楚地看到沿晶界析出的異相質點.這些調質組織比較粗大,經苦味酸腐蝕后的原奧氏體晶界如圖7.上述金相分析表明,該軸頸有比較嚴重的冶金缺陷,如大尺寸、密集分布的夾雜物及晶界開裂等;在軸頸心部晶粒較粗大些,晶界開裂嚴重,靠近軸頸表面處,晶粒尺寸稍小,開裂也較輕,這與裂紋源處的沿晶開裂結果相一致;在氧化物夾雜和晶界開裂附近的基體有一定程度的脫碳,根據對鍛件缺陷的研究,可以認為該曲軸的上述缺陷是在鍛造過程中形成的,并屬于過燒.此外,因終鍛溫度過高,導致奧氏體晶粒粗大且有非金屬夾雜物質點沿晶界析出.1.4頸表面殘余應力利用X射線方法測(211)衍射譜線半高寬β確定軸頸表面殘余應力,測試結果表明,在過渡圓角未淬火部位出現殘余拉應力約35MPa,已淬火表面均為殘余壓應力,軸頸中段殘余壓應力平均為-800MPa,如圖8.2應力集中系數kt上述結果表明,該曲軸鍛造過燒,導致晶界氧化物和晶界開裂等不可消除的缺陷,是構成石狀斷口的本質原因.又因終鍛溫度過高導致大量非金屬夾雜物質點沿晶界析出,嚴重地削弱了晶界結合力,造成材料疲勞強度的嚴重損傷.裂紋源于曲柄/連桿軸頸的過渡圓角處,此處存在應力集中:測得圓角半徑r=6.5mm,根據應力集中手冊,該處彎曲應力集中系數為Kt(b)=1.93,扭轉應力集中系數Kt(s)=1.58.顯然,這里應該進行強化.洛氏硬度的測試結果表明,該軸的表面淬火硬度較技術要求低約25%,導致材料的疲勞極限也損失約25%;同時熱處理工藝中對曲柄/軸頸圓角處沒有進行淬火處理.從抗疲勞失效的角度考慮,圓角部位是最應該強化的地方,但在本曲軸上卻成為最削弱的地方.冶金因素造成材料損傷與軸頸結構強度特點的迭加,必然在圓角部位首先形成裂紋.前已述及,該曲軸工作過程中潤滑不良,軸頸磨損嚴重,這也必然導致軸頸所受扭矩增大,對于扭轉載荷來說,連桿軸頸成為最薄弱環(huán)節(jié),裂紋形成后向軸頸內部擴展并表現出剪應力起主導作用的裂紋特征,形成斜斷口.當裂紋擴展到接近最終裂紋尺寸時,將會引起過量變形,從而影響運動精度,隨之而來的是震動和噪音加大,磨損加劇,局部溫升,抱軸等,以致殘留的軸頸截面被扭斷.軸頸上和斷口上的局部焦油色就是在這一過程中形成的.3晶粒點沿晶界未來斷裂1)該曲軸因鍛造過燒造成晶界氧化物和晶界開裂等不可消除的缺陷,這也是造成石狀斷口的原因;終鍛溫度過高導致大量非金屬夾雜物質點沿晶