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摘 要
軸類零件幾乎是任何機械設備中不可缺少的重要核心零件，其主要功能是支承旋轉零件或通過旋轉運動傳遞動力或運動。軸類零件失效將導致機械設備不能正常運行，造成巨大的經(jīng)濟損失，甚至危及人的生命。
軸類零件均要經(jīng)歷設計、選材、各種冷熱加工和裝配等工藝過程，其失效可能是由其中任一工藝的某個環(huán)節(jié)失誤引起，因而軸類零件可能的失效原因往往不止一個或幾個，而是幾十個甚至更多；失效也經(jīng)常不是由某一種原因引起，而是多種原因復合作用的結果。
本論文首先簡要介紹了失效分析的基本概念、失效的主要來源及模式、常用的失效分析方法及技術和失效的系統(tǒng)分析方法。失效分析技術有感官檢查診斷技術、痕跡發(fā)現(xiàn)技術、斷口和裂紋分析技術、化學成分分析技術、性能測試技術、無損檢驗技術、宏觀殘余應力測試。
利用宏、微觀分析方法，本論文對兩根MWM型柴油機曲軸斷裂進行了失效分析，這兩根曲軸分別為MWM_V6型和MWM_V12型。MWM_V6型柴油機曲軸斷裂原因分析結果表明鍛件過熱過燒是導致斷裂的直接原因；曲軸熱處理工藝不規(guī)范、不完善，曲軸工作潤滑條件不良加速了曲軸斷裂。MWM_V12型柴油機曲軸斷裂原因分析結果表明該曲軸材料的冶金缺陷是導致疲勞裂紋在正常工作應力下過早形成的原因。同時軸頸表面硬度不均勻，淬硬層分布不甚合理；工作過程中潤滑條件較差，促進了曲軸的早期斷裂。
關鍵詞：曲軸；斷裂；過熱；失效分析；
Ⅰ
第 １章 緒 論
１.１ 引言
早在遠古時代，人們對產(chǎn)況，失效就有了宏觀認識。產(chǎn)品失效真正給人類帶來嚴重的危害，則是從 100多年前的工業(yè)革命開始的。當蒸汽動力和大機器生產(chǎn)給人類社會帶來巨大進步的同時，產(chǎn)品失效也給人類帶來了前所未有的災難性事故。因而 1862年，英國建立了世界上第一個蒸汽鍋爐監(jiān)察局，把失效分析作為法律仲裁事故和提高產(chǎn)品質(zhì)量的技術手段。隨后，在工業(yè)化國家中，對失效產(chǎn)品進行分析的各種機構相繼出現(xiàn)。
隨著科技的突飛猛進，系統(tǒng)和設備日益復雜，功能不斷提高，其不可靠和不安全因素增多，導致故障的原因也增多，因而對故障的分析研究工作亦越來越受到世界各國的關注。工業(yè)的發(fā)展、技術的進步正是人們不斷與產(chǎn)品失效做斗爭的結果，這在航空和航天事業(yè)的發(fā)展史中表現(xiàn)尤為突出。因為即使航天飛機這么先進的運載工具也可能發(fā)生故障，如美國的價值 12億美元的“挑戰(zhàn)者”號航天飛機，在1986年1月28日第11次升空時突然爆炸，使七名宇航員遭難，這一慘痛悲劇再次告誡人們忽視產(chǎn)品失效問題將帶來災難性的惡果。任何一次失效都可以看成是產(chǎn)品在服役條件下所做的一次最真實最可靠的科學試驗的結果；通過失效分析判斷失效模式，找出失效的原因和影響因素 （相關因素），也就找到了薄弱環(huán)節(jié)所在，從而可以改進有關部門的工作，提高產(chǎn)品質(zhì)量．
失效分析是可靠性工程的技術基礎之一；是安全工程的重要技術保證之一；是維修工程的理論基礎和指導依據(jù)；可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。因而開展失效分析工作是非常有意義的，其重要性一般包括以下幾個方面：
1．可以保證產(chǎn)品的可靠性，減少由于設備失效造成的人身傷亡和直接
經(jīng)濟損失；
2．可以從中吸取大量經(jīng)驗教訓以利制定和完善產(chǎn)品質(zhì)量管理的有關文件、標準和規(guī)程，是產(chǎn)品質(zhì)量管理的一個重要環(huán)節(jié)；
3．有助于及時 “吃透”國外先進技術，提高引進速度、質(zhì)量和效率；
4．通過對進口設備的失效分析可以為向外商索賠提供依據(jù)或技術仲裁：
5．可以使設備維修工作建立在失效分析的基礎上，從而取得良好的事故預防；
6．失效分析的結果也是現(xiàn)行技術規(guī)范、規(guī)程和標準的適用性的實地檢驗，可作為修訂和制訂文件的依據(jù)；
7．失效分析的統(tǒng)計資料是制訂科技開發(fā)規(guī)劃和經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃的重要依據(jù)，失效分析可以為各級人員正確處理現(xiàn)場技術問題提供科學的依據(jù)。
在我國，由于長期的歷史原因，現(xiàn)有設備超期服役帶病運行相當普遍，有相當一部分設備存在著各種結構缺陷、工藝缺陷、加工缺陷、制造缺陷、材料缺陷和使用不當產(chǎn)生的裂紋或損傷腐蝕介質(zhì)影響或長期超載運行等，若盲目使用這些設備而不及時采取措施進行監(jiān)控和防預，必將發(fā)生事故。因而，為了盡量減少事故的發(fā)生，需要進行失效分析研究。目前國內(nèi)關于失效分析方面的研究比較多，大多采用傳統(tǒng)的宏觀、微觀分析法對失效原因進行分析。本文將采用宏觀、微觀分析法分析兩根曲軸的斷裂原因。
1.2失效分析的發(fā)展簡況
長期以來，人類在生產(chǎn)實踐中不斷與產(chǎn)品失效作斗爭，但失效分析僅作為零星、分散、宏觀的經(jīng)驗世代相傳。失效分析作為一種學科分支還是近半個世紀的事情。材料科學的興起、先進測試技術的應用以及近代物理、化學等的全面發(fā)展，使得人們能夠從微觀方面闡明產(chǎn)品失效的本質(zhì)、規(guī)律和原因。在此基礎上，失效分析走上系統(tǒng)、綜合、理論化的新階段。近半個世紀所積累的失效分析知識與技術千百倍于人類前期有關知識的總和。但這種知識必然隨著人類生產(chǎn)實踐和科技進步而不斷發(fā)展．雖然由于科技的發(fā)展，產(chǎn)品在設計、生產(chǎn)、使用與維修上的技術改進，使得產(chǎn)品的可靠性日益提高，然而，失效事件并不會最終消失。而且，產(chǎn)品的自動化程度愈高、技術愈密集，一旦出現(xiàn)失效，造成的損失就愈嚴重。因此失效分析將隨著科技的高速發(fā)展顯得更為重要。
遠在 1862年英國建立世界第一個蒸氣鍋爐監(jiān)察局時，失效分析就被作為法律仲裁產(chǎn)品質(zhì)量事故的技術判斷手段。在 1938—1945年間，美國質(zhì)量管理學會發(fā)起 “失效廢品檢驗規(guī)劃”，號召生產(chǎn)企業(yè)把失效分析作為重要環(huán)節(jié)納入質(zhì)量管理系統(tǒng)。在四十年代末和五十年代初，為解決電子產(chǎn)品失效問題而發(fā)展起來的可靠性理論使失效分析進入到一個新的階段。到六十年代，人們更開始了機械設備系統(tǒng)可靠性理論的研究。近年來，失效物理和失效分析在這種認識推動下，也得到了很大的重視和發(fā)展。失效分析推動科學技術進步，促進國民經(jīng)濟健康發(fā)展，提高機械產(chǎn)品質(zhì)量，在國民經(jīng)濟中有重要作用和意義。
1.3 本課題的背景和意義
某廠生產(chǎn)的 MWM柴油機曲軸在使用過程中陸續(xù)發(fā)生斷裂事故，這是一個重大的產(chǎn)品質(zhì)量問題，造成了嚴重的經(jīng)濟損失，還對該廠的市場銷售、質(zhì)量信譽產(chǎn)生不良影響，因而需要盡快解決這一問題。本課題就是在這個工程背景下，試圖對其中兩根斷軸進行失效分析，以期找到失效的真正原因。
1.4 本課題的主要工作內(nèi)容和研究方法
1.4.1 本課題的主要工作內(nèi)容
本文運用宏、微觀方法對之進行失效分析，給出MWM_V6、MWM_V12斷裂的原因。
1.4.2 本課題的研究方法
本論文首先對MWM_V6及MWM_V12型柴油機曲軸的斷口進行宏觀觀察，進而利用掃描電鏡進行微觀斷口分析，并采用金相方法分析斷口附近的夾雜物，然后利用掃描電鏡所帶的能譜儀測量夾雜物的成分，最后確證曲軸斷裂的原因。
第２章 失效分析的方法
2.1 失效分析概況
2.1.1失效分析的基本概念
所謂失效，按照國家標準GB3187-82《可靠性基本詞術語及定義》，就是：“產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能，對可恢復產(chǎn)品通常也稱故障”。為了研究失效的原因，確定失效的模式或機理，并采取補救或預防措施以防止失效再度發(fā)生的技術活動與管理活動，叫做 “失效分析”。因此失效分析是可靠性工程的重要組成部分，也是保證產(chǎn)品可靠性而需建立的反饋系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。
失效分析是一門涉及系統(tǒng)分析、系統(tǒng)安全、產(chǎn)．V設計、材料力學、斷裂力學、斷裂物理、斷口學、材料學、測試技術、金屬學、金屬工藝、強度計算、產(chǎn)品質(zhì)量全面管理等眾多領域的綜合學科，它包括三個方面：
1．事前故障的預測技術，如可靠度計算、故障率評價和可靠性分析法
2．事中故障診斷技術 （應力定量化技術、故障檢測及故障征兆診斷技術、設備或系統(tǒng)強度、故障性能定量化及劣化定量化技術等）；
3．事后失效分析 （壽命預測技術、故障機理、失效模式的測定技術、失效評定的標準、維修技術等）。
上述事后失效分析也即是失效分析或故障分析，是指事故或故障發(fā)生后的檢測和分析，以便找到失效的部位、原因和機理；掌握產(chǎn)品的改進線索或修復方法，防止問題重復發(fā)生。近年來，失效分析工作還注意了反饋與發(fā)展，在工況與質(zhì)量上做了不少工作，從事前分析、事后預防發(fā)展到事中監(jiān)控。
2.1.2失效的主要來源及模式
失效經(jīng)常是由多方面原因造成的，其主要來源包括設計、選材、材料缺陷、制造工藝、再加工、組裝、檢查、試驗、質(zhì)量控制、貯運、工作條件、維修和工作中預先未暴露的過載以及機械的或化學的損傷等。
1．設計上的缺點：機械缺口、改變設計、零件的升級使用、設計判據(jù)不充分等。
2．材料選擇上的缺點：拉伸試驗數(shù)據(jù)不準確 （選材的一般判據(jù)如表2-1）。
3．材料中的缺陷：鑄件 （冷隔、夾雜物、疏松、空隙和縮孔是鑄件特有的），鍛件（折疊、接逢、收縮、空洞和鍛造流線花樣為鍛件特有）。
4．加工中存在的問題：各種冷熱加工中的問題。
5．裝配中的失誤：操作人員的疏忽行為、裝配規(guī)程不完善、對中不良。
6．不合理的服役條件：啟動、停車、維修不當。
失效模式是失效的外在宏觀表現(xiàn)形式和過程規(guī)律。金屬構件的失效模式可分為斷裂、表面損傷和過量變形，這三個大的方面。具體的說，機械失效的主要模式如表2-2。
表 ２-１針對可能的失效機理、載荷類型、應力類型和
指定的工作溫度進行選材時應用的一般判據(jù)
表２．２金屬部件的各種失效模式
2.2 常用失效分析方法及技術
2.2.1 常用失效分析方法 （失效分析的一般程序與步驟）
1．失效分析的思路
失效分析思路是對于己經(jīng)發(fā)生的事故考慮從什么地方開始，沿著什么樣的程序去分析研究故障現(xiàn)象的因果關系，確定事故原因，完成分析任務。斷裂失效分析思路一般是：斷裂失效事故→故障件裂紋或斷口分析→力學性能分析→顯微組織分析→結構受力分析→使用維護分析。必要時可進行工藝分析、材料成分分析、環(huán)境分析、相結構分析和殘余應力分析。
２．斷裂失效分析的一般程序
圖２-１斷裂失效分析的一般程序
３．失效分析的具體過程
（１） 調(diào)查研究
?、?向機器操作者調(diào)查破壞過程，觀察破壞現(xiàn)場，了解破壞構件在機器的部位和工作情況。
?、?向生產(chǎn)工人和技術人員調(diào)查構件的生產(chǎn)工藝歷史和工藝參數(shù)。
?、?向設計人員調(diào)查構件的設計過程和設計計算。
④ 外觀檢查，觀察破壞構件的外形特征。
?、?服役條件、工作環(huán)境等的綜合分析。
（２） 斷口分析、斷面分析、變形量測定
?、?斷裂試樣的正確選擇及切取。
?、?斷口的宏觀分析。
③ 斷口的微觀分析。
（３） 內(nèi)在質(zhì)量的檢驗
?、?低倍檢驗：主要檢查夾雜、氣孔等低倍檢查項目。
?、?金相組織分析：檢查破斷零件的裂紋分布及走向，金相組織是否正常。
③ 材料的化學成分分析：主要復驗材料的化學成分是否合乎零件的要求，以及雜質(zhì)、偏析和可能引起問題的微量元素在材料中的含量及大致分布。
?、?機械性能測定：主要復驗材料的常規(guī)機械性能是否合格，據(jù)構件破壞部位的幾何形狀、應力分布情況、負載的變化等情況與該類情況下的靜／動機械性能比較。
（４） 判明失效的原因：據(jù)上面的調(diào)查研究及實驗檢查結果，綜合分析造成構件失效的原因。
（５） 提出改進措施
（６） 實際運行考驗
2.2.2常用失效分析技術
失效分析技術是指在各種失效分析方法中具體所采用的分析技術和手段。對失效分析對象而言，失效分析技術從總體上可分為非破壞性和破壞性失效分析技術，具體可分為：感官檢查診斷技術、痕跡發(fā)現(xiàn)技術、斷口和裂紋分析技術、化學成分分析技術、性能測試技術、無損檢驗技術、宏觀殘余應力測試等。
１．感官檢查診斷技術
失效分析與醫(yī)生看病或偵察案件相似，對信息資料既要單獨和分類推敲，又要綜合分析，通盤考慮，然后提出疑問、假設，進一步有針對性地補充信息資料，多方考核，驗證假設，從眾多原因中，逐步確定取舍，從而得出可靠結論，并提出切實可行的預防措施，最后在實踐中進一步驗證。
感官檢查是一種直觀、簡潔、使用方便、可靠性好的應用技術。主要依靠人體感官功能和智力、經(jīng)驗的結合來獲取、存儲、加工處理信息，達到分析目的。它主要包括視覺檢查、觸覺檢查、嗅覺檢查等。
２．痕跡發(fā)現(xiàn)技術
失效分析中進行宏觀、微觀分析時都離不開痕跡分析。通過痕跡分析，不僅可對事故和失效的發(fā)生、發(fā)展過程做出判斷，并可為事故和失效分析結論提供可靠的佐證和依據(jù)。所謂痕跡分析就是對表面形貌 （花樣）的變化、成分的變化 （或材料的遷移）、顏色的變化、表層組織、性能的變化、殘余應力的變化、以及表面污染狀態(tài)的變化等變化特征進行診斷鑒別，找出變化的原因，為事故和機械失效分析提供線索和證據(jù)。其主要研究內(nèi)容是：
?、?研究機械表面上形成痕跡的物理、化學過程 （即機制）；
?、?研究痕跡對機械結構及其功能的影響；
?、?研究不同材料表面性能與痕跡的關系及其在機械失效分析中的應用；
?、?痕跡的理化檢驗方法；
⑥ 痕跡的各種預防措施和表面強化或改性技術。
在一般情況下，痕跡分析程序是；
?、賹ふ摇l(fā)現(xiàn)和顯現(xiàn)痕跡；
?、诤圹E的提取、固定、顯現(xiàn)、清洗、記錄和保存；
?、坭b定痕跡 （這是痕跡分析的重點工作）一般原則是由表及里，由簡而繁，先宏觀后微觀，先定性后定量。遵循形貌→成分→組織結構→性能的分析 順序；
④ 痕跡的模擬再現(xiàn)試驗：
⑤綜合性分析：
⑥ 做分析結論并寫出有建設性意見的報告。
３．斷口和裂紋分析技術
斷口和裂紋分析一般包括宏觀分析與微觀分析兩個方面。前者指用肉眼或 40倍以下的放大鏡、實休顯微鏡對斷口或裂紋進行觀察分析，可有效地確定斷裂起源和擴展方向：后者指用光學顯微鏡、透射電鏡、掃描電鏡等對斷口或裂紋進行觀察、鑒別與分析，可以有效地確定斷裂類型與機理。宏觀分析和微觀分析是不可分割的整體，二者不可互相取代，只能互相補充、互相促進。過分依賴微觀分析而不重視宏觀分析，只根據(jù)幾個微觀視場的特征就做出判斷，往往會導致全局性的判斷失誤；反之，忽視微觀分析只進行宏觀分析，則可能得出膚淺乃至錯誤的結論。斷口和裂紋分析技術一般包括：分析對象的確定與顯示技術、觀察與照相記錄技術、識別與診斷技術、定性與定量分析技術及儀器與設備的使用技術等。
４．化學成分分析技術
在失效分析中，常常需要對失效零件的材料成分 （包括定牌號、全成分或部分成分）、外來物 （如擦痕或濺射附著物）、表面沉積物、腐蝕生成物及氧化物等進行定性或定量的分析，以便為最終的失效分析結論提供依據(jù)。
ａ．常規(guī)分析技術
該技術主要用于分析失效零件名義或宏觀區(qū)域的材料成分，其主要方法有：
① 濕法化學分析：可準確分析含量較大的金屬，陰離子的有無及其濃度；
② 半定量發(fā)射光譜和原子吸收光譜：用于分析合金成分；
③ 燃燒法：用于測定金屬中的碳、硫、氫、氮、氧的含量；
④ 點滴法：可簡單地定性分析金屬中的合金元素、沉淀物、腐蝕產(chǎn)物、土壤等；
⑤ 紅外、紫外光譜：用于檢測有機物質(zhì)。
ｂ．表面及微區(qū)分析技術
在失效分析中，相對于名義或宏觀區(qū)域的成分分析，失效零件的材料的表面成分及失效源區(qū)的微區(qū)成分分析更為重要，尤其是對表面損傷或者由于諸如夾雜、成分偏析等造成的失效。目前主要的分析儀器有：俄歇電子譜儀、離子探針、電子探針、ｘ射線能譜儀、ｘ射線波長譜儀等。在掃描電鏡上可裝置俄歇電子譜儀、ｘ射線能譜儀、ｘ射線波長譜儀等，以滿足微區(qū)成分分析的需要。
ｃ．鐵譜分析技術
為了對齒輪等承受摩擦作用的機械零件進行動態(tài)監(jiān)測，美國于1971年研制成功一種實驗檢測技術—鐵譜技術 （Ｆｅｒｒｏｇｒａｐｈｙ ）。該技術不僅在設備維修、工況監(jiān)測、摩擦學研究等方面具有理論意義，而且在失效分析、故障診斷等領域中具有重要的實用價值。其分析對象是含有磨損粒子的潤滑油，在鐵Ａ儀的梯度磁場中，磁性和幾何尺寸各異的磨損粒子被分離開來。
５．性能測試技術
對于一些重大的、復雜的斷裂或變形失效，往往必須作力學性能方面的試驗分析工作，優(yōu)先考慮的試驗有硬度試驗、沖擊試驗等，若上述試驗不足以說明結論意見時，可進一步取樣作其它性能試驗，如拉伸試驗Kic，da／dN、耐磨性及腐蝕敏感性試驗等。
６．無損檢驗技術
無損檢驗就是應用一些物理現(xiàn)象，在不改變材料或零件形狀和性能 （包括機械性能和化學性質(zhì)）條件下，迅速可靠地確定其表面或內(nèi)部裂縫和其他缺陷的大小、數(shù)量和位置的方法。在失效分析中應用無損檢測技術的目的在于：
① 檢查失效件的同批服役件、庫存件，防止同類事故的發(fā)生，若能查出第二件、第三件，則更有利于失效性質(zhì)及失效原因的分析判斷；
② 某些容器、管道、殼體，甚至一些復雜形狀的系統(tǒng)裝置出現(xiàn)裂紋或泄露時，常需要借助于無損檢測技術來確定其確切部位，以便取樣分析或采取相應的補救措施；
③ 在脆性破壞中，利用無損檢驗技術來檢測監(jiān)視臨界裂紋長度，防止發(fā)生脆斷。
無損檢驗是一門系統(tǒng)而復雜的新興學科，其檢驗方法己有十多類，有的正在不斷完善，并向著自動化，提高性能及靈敏度，使用電視裝置等方面發(fā)展 （如 ｘ射線探傷、磁力探傷、超聲波探傷等），有的還在發(fā)展中。根據(jù)無損探傷的原理，其檢驗方法大致可分為五類：放射性探傷、電磁探傷、聲試驗法探傷、滲透法探傷和熱試驗法探傷。
７．宏觀殘余應力測試
金屬零件經(jīng)各種冷熱加工 （如切削、磨削加工、裝配、冷拔、熱處理等）之后，其內(nèi)部或多或少都存在殘余應力。殘余應力的存在對材料的疲勞、耐腐蝕、尺寸穩(wěn)定性都有影響，甚至在服役過程中引起相變。據(jù)最近的調(diào)查分析，由于殘余應力影響或?qū)е碌臋C械零件失效達80％以上。因此在失效分析中，常需對機械零部件的殘余應力進行測定。宏觀殘余應力測定方法很多，如電阻應變片法、光彈性復膜法、脆性涂料法、ｘ射線法及聲學法等。
面對如此繁多的失效分析實驗檢測技術，在進行某項具體的失效分析時該選用哪些檢測技術，應根據(jù)失效現(xiàn)象的復雜程度，同時考慮失效分析的深度、時間性和經(jīng)濟性；即要依據(jù)失效分析的實際需要，檢測技術的適用性和經(jīng)濟性選用實驗檢測技術。
2.3 本章小結
本章主要介紹了失效分析的基本概念、失效的主要來源及模式、常用的失效分析方法及技術。失效分析技術中主要介紹了感官檢查診斷技術、痕跡發(fā)現(xiàn)技術、斷口和裂紋分析技術、化學成分分析技術、性能測試技術、無損檢驗技術、宏觀殘余應力測試。
第３章 MWM_V6型柴油機曲軸斷裂原因分析
本章分析了MWM_V6型柴油機曲軸斷裂原因，結果表明鍛件過熱過燒是導致斷裂的直接原因；曲軸熱處理工藝不規(guī)范、不完善，曲軸工作潤滑條件不良加速了曲軸斷裂。本章還對加強生產(chǎn)過程中的質(zhì)量管理和失效分析工作提出了意見．
該MWM_V6型柴油機曲軸，斷裂發(fā)生于 B1缸連桿軸頸。
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(diào)質(zhì)→冷加工→中頻感應淬火→回火→精磨。
大約同期出廠的一批柴油機發(fā)生多起類似的斷軸事故。
中頻淬火只對軸頸平直段進行，軸頸與曲柄連接的過渡圓角部位，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(jīng)表面淬火后，其硬度達5861HRC。
MWM機型是我國近年來引進的柴油機系列產(chǎn)品，目前正處于技術消化和應用推廣階段，其生產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)化進程。但該MWM_V6機因曲軸斷裂，使整機壽命只有幾十個小時，當屬嚴重的質(zhì)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(chǎn)品將喪失其機械產(chǎn)品信譽和競爭能力。
3.1 實驗結果與分析
3.1.1 斷裂宏觀檢查
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(nèi)的斷口表面也呈焦油色．整個斷口表面較粗糙，部分呈粗糙的貝紋花樣，貝紋間隔為3-5mm，屬疲勞斷裂區(qū)；部分為靜段區(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3-1所示。斷裂源位于軸頸圓角表面嚴重磨損的一端，距曲柄平面5mm處，裂縫由曲頸表面開始，一部分沿與軸線成45°角方向向曲頸內(nèi)擴展；另一部分向曲頸內(nèi)擴展，約10mm之后轉折方向，也沿與軸線成45°角方向向曲頸內(nèi)擴展，整個裂縫穿過軸頸上的油孔，最后在軸頸上形成斜斷口。
軸頸/曲柄圓角處未淬火區(qū)為從圓角根部向曲頸內(nèi)約10mm范圍，其硬度為24～30HRC；軸頸淬火的表面硬度為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，其未淬火帶尺寸也大于工藝中所要求的（5.7）mm。
3.1.2 裂縫源處斷口分析
裂縫開始于軸頸/曲柄圓角處的非淬火帶上，裂縫源處斷口平坦、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。裂縫源處掃描斷口形狀如圖3-2所示，呈沿晶斷裂特征，晶粒粗大。表明裂縫在被削弱的晶界開始并沿晶界快速擴展的情況。
3.1.3 金相檢驗
圖3-1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(jīng)侵蝕的頸向截面上，可觀察到尺寸非常粗大的晶界氧化物和晶界開裂，如圖3-3所示。在圖3-3a中夾雜物上選不同形態(tài)的二點作能譜分析，結果列于表3-1，表明該夾雜物為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。
表3-1 晶界氧化物成分（原子百分含量）
對圖3-3（a）中氧化物夾雜與基體邊界處測定顯微硬度，結果列于表2-3，表明氧化物附近基體有輕微脫碳。
在該斷口附近還可觀察到大面積的夾雜物群，如圖3-3（c）。
圖3-1中雙箭頭所指處切取金相試樣，在與軸線垂直的截面上，經(jīng)飽和苦味酸侵蝕后的組織如圖3-4。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3-4（a）），甚至還有局部晶界開裂（圖3-4（b））。該試樣經(jīng)硝酸酒精溶液侵蝕的組織如圖3-5，圖中顯示在淬硬層與心部過度區(qū)附近存在大量沿晶界分布的夾雜物質(zhì)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。
表3-2 氧化物顯微硬度
試樣心部較清潔部分的顯微組織為回火索氏體組織，如圖3-6，圖中仍可以比較清楚地沿晶界析出的異向質(zhì)點。這些調(diào)質(zhì)組織比較粗大，經(jīng)苦味酸腐蝕后的原奧氏體晶界如圖3-7。
上述金相分析表明，該曲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(jù)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(zhì)點沿晶界析出。
3.1.4 軸頸表面殘余應力測定
利用 ｘ射線方法測（211）衍射譜線半高寬刀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(xiàn)殘余拉應力約 35MPa，己淬火表面均為殘余壓應力，軸頸中段殘余壓應力平均為一800 MPa，如圖3-8。
圖3-8連桿軸頸表面淬火后沿長度分布殘余應力
3.2 討論
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(zhì)原因。又因終鍛溫度過高導致大量非金屬夾雜物質(zhì)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(jù)應力集中手冊，該處彎曲應力集中系數(shù)為Ｋro＝1.93，扭轉應力集中系數(shù)Ｋrs＝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。冶金因素造成的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。
前己述及，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(nèi)部擴展并表現(xiàn)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。
3.3 對改進柴油機曲軸質(zhì)量的意見
曲軸是柴油機最重要的零件之一，國家規(guī)定柴油機曲軸斷軸率小于萬分之五，但是，目前國產(chǎn)柴油機曲軸斷裂 （尤其早期斷裂）仍是普遍存在的問題。導致斷軸的原因主要是冷、熱加工以及配件質(zhì)量和使用維護等方面的問題。除這些直接原因外，在生產(chǎn)管理方面存在的問題，如對影響產(chǎn)品質(zhì)量的各環(huán)節(jié)的管理，充分發(fā)揮質(zhì)檢部門的作用，強化失效分析及信息反饋工作等，對實現(xiàn)產(chǎn)品斷裂控制有更重要的影響。以本文的曲軸斷裂為例，熱加工缺陷固然是失效的直接原因，但存在如此缺陷的斷件又是如何從鑄鍛廠流入到柴油機廠的？本應報廢的鍛件又是如何跟隨正品鍛件走完全部工藝流程，并通過檢驗出廠的？同批進廠鍛坯的曲軸連續(xù)發(fā)生的數(shù)起類似早期斷裂事故，想到我們需要消化吸收新技術以趕超先進水平，看來充分發(fā)揮質(zhì)量管理部門的職能，強化生產(chǎn)各環(huán)節(jié)和管理部門的質(zhì)量意識是何等重要！
3.4 本章小結
（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(zhì)點沿晶界析出，嚴重削弱了晶界結合力，損傷了材料的疲勞強度；這是該曲軸早期斷裂的直接原因。
（2）該曲軸熱處理工藝不規(guī)范，非淬火帶超差，淬火帶硬度不足；熱處理工藝不完善，在曲柄／軸頸過渡圓角處存在應力集中的地方，也就是在未淬火帶上，造成拉應力。
（3）該曲軸工作過程中潤滑條件不良。
第４章MWM_V12型柴油機曲軸斷裂原因分析
本章分析了MWM_V12型柴油機曲軸斷裂原因。結果表明該曲軸材料的冶金缺陷是導致疲勞裂紋在正常工作應力下過早形成的原因。同時軸頸表面硬度不均勻，淬硬層分布不甚合理：工作過程中潤滑條件較差，加速了曲軸的斷裂。
該曲軸以1500r/min條件運行時，曲軸突然斷裂，累計運轉時間約100h拆檢發(fā)現(xiàn)斷裂發(fā)生于第6檔連桿軸頸，屬于典型的早期斷裂。
該曲軸采用42CrMoA電渣重熔鋼制造，主要工藝流程為：
下料→模鍛→調(diào)質(zhì)→冷加工→中頻感應淬火→回火→精磨。
中頻淬火只對軸頸平直段進行，軸頸與曲軸連接的過渡圓角部位，因后續(xù)磨削工藝裝備尚未完善而未進行中頻淬火處理。按技術條件規(guī)定，軸頸經(jīng)表面淬火后，其硬度應達58~61HRC。
4.1 試驗結果與分析
4.1.1 斷軸宏觀檢查
宏觀斷口如圖4-1：裂紋源（箭頭指處）位于連桿軸頸／曲柄過渡圓角處，裂紋沿與軸線成45°方向穿過曲柄，與對面主軸頸／曲柄過渡圓角處相連接。裂紋源距曲柄平面約6mm，恰在 Ｒ部位的未淬火帶上。裂紋源與前方油孔相距約10mm。斷口表面有較明顯的海灘標記，表明該斷裂屬于疲勞斷裂。將斷口表面近似看作平面，估計疲勞區(qū)約占斷口總面積的60%，斷裂時裂紋深度約37mm，可見該斷裂應力較高，或者材料韌性水平相對較低。
仔細觀察裂紋源區(qū)，其宏觀特性如圖4-2，表面較平坦，其尺寸在距表面2.5mm范圍內(nèi) （圖4-2中Ａ處）：在較平坦和光滑的表面上尚有三個小臺階，這可理解為在扭矩作用下形成的棘狀特征形貌，只是未得到充分發(fā)展。在裂紋源左側約5mm處（圖4-2中Ｂ點）有一局部靜斷特征區(qū)，其形貌特征為由表面向內(nèi)發(fā)散的放射花樣，深約7.5mm。在裂縫源右側有一局部區(qū)域（圖4-2中c處）斷口表面較粗糙，用放大鏡觀察可看到有暗灰色凸起或凹坑，推測為夾狀物折斷特征。
從斷口表面特征看，裂縫源周圍較平坦，說明裂縫在連桿軸頸/曲柄圓角處開始之后主要在彎曲應力條件下擴展，當裂縫擴展到一定少年度后，開始形成棘狀特征花樣，表明此時，扭轉載荷裂縫擴展已發(fā)揮可觀的影響。
軸頸表面磨損較嚴重，并有不同程度的焦油痕跡，這表明曲軸運行時，潤滑條件欠佳，曾經(jīng)短時過熱。側得曲柄厚度為23.7mm。在主軸頸表面打洛氏硬度，結果如圖4-3a；主軸頸徑向剖面硬度如圖4-3b，表明軸頸表面硬度分布不均勻，硬度值偏低。
用橡皮泥復制軸頸/曲柄圓角處的曲率，測的R值，并查得彎曲和扭轉應力集中系數(shù)：
連桿軸頸/曲柄：R=5.7 Ktb=2.1 Kts=1.65
主軸頸/曲柄： R=6.5 Ktb=2.1 Kts=1.65
斷口宏觀觀察表明，該曲軸斷裂屬于疲勞斷裂，該疲勞斷裂是在彎曲和扭轉聯(lián)合作用下發(fā)展的：批來初期，彎曲應力對過程起控制作用，繼續(xù)扭轉對斷裂過程發(fā)揮重要影響；非金屬夾雜物對斷裂過程有重要影響；曲頸表面硬度不均勻，淬硬層分布不甚合理；工作過程中潤滑條件較差。曲頸R部位應力集中不嚴重。
4.1.2 裂縫源（裂縫形成與初期擴展）分析
按疲勞斷裂機理和材料缺陷或加工缺陷的影響，裂縫可以再任何一應力水平高于材料強度的局部地方形成，即形成裂縫能夠源。在彎曲或扭轉載荷作用下，裂縫源通常位于零件表面，表面不連續(xù)或者存在材料缺陷的地方。對圖4-2中a處進行掃描電鏡觀察，其形貌如圖4-4，圖4-4上部即曲頸表面，圖中右上向下即為又曲頸表面向中心方向。可以看出在曲頸表面約0.3mm范圍內(nèi)，即裂縫開始形成時，主要表現(xiàn)沿晶斷裂形式。因此可以理解為裂縫在疲勞應力下形成，但靜載斷裂機制在其中扮演了非常重要的角色。仔細觀察，晶界污染非常嚴重，有大量非金屬夾雜物質(zhì)點沿晶界析出。
對圖4-2中B處觀察，斷口形貌如圖4-5a，可見斷裂面上遍布了非金屬夾雜物，這里斷裂阻力甚小，在向鄰區(qū)域（a處）已形成疲勞裂紋的情況下，由于應力集中作用，只在疲勞應力作用下，即可引發(fā)局部裂紋的迅速擴展，形成前述的局部由表面向內(nèi)部的放射特征形貌。這也是軸頸硬度不均勻和裂紋形成壽命相當短的原因所在。該區(qū)稍往內(nèi)偶爾也可觀察到疲勞特征，如圖4-5b，在微孔型
圖4-3 主軸頸硬度測試結果
沿晶斷裂基礎上，局部有明顯的疲勞條紋。
對圖4-2中c處觀察，斷口形貌如圖4-6；主要特征與前述a 處和b處大體相同。將該局部制成金相試樣，未經(jīng)侵蝕時的形態(tài)如圖4-6，可見有夾雜物尺寸較大，分布集中等特點；與ASTM標準圖譜對比得該夾雜物的級別為B，這些大尺寸的夾雜物折斷后，在斷口處將留下凸起或凹陷，無金屬光澤。
又裂紋源及其附近區(qū)域斷口的分析可知，曲軸材料中含有大量的非金屬夾雜物應該對疲勞裂紋形成負責；大量非金屬夾雜物的存在嚴重降低了材料強度，導致在正常工作應力下疲勞裂紋過早形成與擴展；裂紋一旦形成，便構成了新的應力集中因數(shù)，對其周圍材料的斷裂發(fā)揮影響，導致裂紋的不斷發(fā)展在該曲軸中，由于裂紋源附近地區(qū)也含有大量密集的和大尺寸的非金屬夾雜物。材料強度、塑性和韌性受到嚴重影響，因此由裂紋源向其相鄰區(qū)域（如圖4-2中的b和c）的擴展是快速的，主要表現(xiàn)為靜斷特性，裂紋源附近的斷裂順序（參見圖4-2）為首先裂紋源形成，其次向b和c 發(fā)展，A-B-C實現(xiàn)連聯(lián)之后，以此較大面積裂紋（即宏觀裂紋）為基礎，在曲軸疲勞應力下繼續(xù)擴展。
4.1.3 裂紋擴展分析
對圖4-1油孔前方疲勞特征區(qū)（海灘花樣）掃描觀察，其形貌如圖4-7，顯示處夾雜物彌漫，二次開裂嚴重，幾乎喪失金屬斷口特征，很象應力腐蝕斷口上的泥裂花樣。可見該軸由表面到心部都遭到非金屬夾雜物的嚴重污染。
將該斷口近視為平面斷口，其應力強度因子一般表達式為：
式中F為自由表面影響系數(shù)，為第二類完全橢圓積分。
據(jù)Newman-Raju，對于拉伸和彎曲載荷，導出了包括裂紋深度，裂紋長度，板厚即板寬等系數(shù)的F表達式：
查表得：
計算得：
將計算結果代入（4-1）：
根據(jù)Paris公式：
距文獻[15]，對淬火回火鋼的保守方程為：
由宏觀分析得：
計算得：
經(jīng)折合，曲軸工作約1.8hr。
從整體上說，材料強度、塑性和韌性軍劇烈惡化從而導致裂紋擴展抗力幾乎完全喪失，這也是裂紋擴展壽命很低的根本原因。
由于軸頸內(nèi)部被大量非金屬夾雜物污染，該斷口已喪失了調(diào)質(zhì)鋼疲勞斷口基本特征，因此已不具備調(diào)質(zhì)鋼的性能，疲勞抗力當然也不例外。
4.1.4 靜斷區(qū)特征
對靜斷區(qū)掃描觀察，斷口形貌如圖4-8所示，a表示為嚴重的沿晶開裂，幾無塑性可言。對某些晶界裂紋仔細觀察如圖4-8b，顯示出晶界熔化特征，因此可認為該鋼鍛造時曾經(jīng)過燒。
4.2 討論
上述宏微觀檢驗與分析表明該曲軸鋼鍛造時發(fā)生過燒。據(jù)文獻[18]，同一鋼種的電渣重熔鋼比電爐鋼的過熱溫度低，晶粒容易粗化。毛坯鍛造時，加熱溫度過高必然導致過熱和過燒；其后果為：一方面使晶界氧化，形成大量氧化物沿晶界分布，削弱了晶界結合力，成為在服役過程中沿晶界斷裂的原因；另一方面，在局部地方發(fā)生晶界熔化，成為層狀斷口或非金屬夾雜物斷口的原因；由于過熱過燒引起的冶金缺陷還使鋼材熱處理后硬度分布不均勻。
從金相分析看出該曲頸表面淬火層分布不盡合理，這當然應該歸因于熱處理工藝不合理。這種熱處理方面的缺陷當然對斷裂有影響。但退一步講，即使熱處理工藝再完美，也不能使非金屬夾雜物具有鋼的性質(zhì)，也不能改變“層狀”夾雜物之類的冶金缺陷的分布形式。也就是說，柴油機廠的種種泠熱加工，不可能把一個因冶金缺陷報廢的鍛件毛坯加工成性能合格的零件。由此不能不沉重的認識到，如果能及早發(fā)現(xiàn)鍛件質(zhì)量問題，予以報廢，便省去了機器制造廠的所有加工，以及以廢品充當正品出廠給用戶造成的損失和因此造成產(chǎn)品信譽方面的影響。
MWM機型是我國近年來引進的柴汕機系列產(chǎn)品，目前正處于技術消化和應用推廣階段。在此過程中，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(chǎn)品質(zhì)量，導致個別零件早期失效是在所難免的。這屬于發(fā)展中的問題，只需在實踐中不斷改進，日臻完善。但該MWM_V12機因曲軸斷裂使整機壽命只有100小時，當屬嚴重質(zhì)量事故．大約同時出廠的一批柴油機在使用中發(fā)生多起類似的斷軸事故。對此，若不查明原因，采取有效措施，該產(chǎn)品將喪失起碼的竟爭能力。
4.3 本章小結
該曲軸材料因鍛造過燒而發(fā)生晶界氧化、熔化，形成大量非金屬夾雜物，削弱了晶界結合力，使得材料硬度分布不均，材料強度，塑性和韌性嚴重損失，從而裂紋容易形成，一旦形成便以很快的速度擴展，導致曲軸的早期斷裂。
結 論
1、 MWM_V6柴油機曲軸斷裂的直接原因是鍛件過熱過燒造成的晶界氧化物和晶界開裂；斷口為石狀斷口。曲軸熱處理工藝不規(guī)范、不完善，曲軸工作潤滑條件不良加速了曲軸斷裂。
2、MWM_V12型柴油機曲軸早期斷裂歸因于曲軸材料，該曲軸材料因鍛造過燒而發(fā)生晶界氧化、熔化，形成大量非金屬夾雜物，削弱了晶界結合力，使得材料硬度分布不均，材料強度、塑性和韌性嚴重損失，從而裂紋容易形成，一旦形成便以很快的速度擴展，導致曲軸的早期斷裂。
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致 謝
本論文是在導師楊教授的悉心指導下完成的。楊教授以淵博的知識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、摯著的敬業(yè)精神以及對本學科問題敏銳的洞察力和準確的判斷力使我受益匪淺，必將對我以后的工作和學習產(chǎn)生深遠的影響。在學習和生活中，楊老師也給予了最大的關心和照顧，楊老師寬厚的性格、寬容的人格、寬廣的胸襟以及對生活豁達的態(tài)度感染著身邊的每一個人，也值得我用一生去學習。恩師教誨，終生難忘！
我的親人在我的學習和生活中給了我無私的愛和最大的關懷，在我困惑的時候，他們給我鼓勵。我成長過程中的每一點成功都離不開他們對我的教導，只說一句感謝怎能表達我對親人的感激之情。
在本論文的寫作過程中，參閱了大量的參考文獻，在此向各參考文獻的作者們致以崇高的謝意。
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