稀土球墨铸铁曲轴断裂的分析.doc

稀土球墨铸铁曲轴断裂的分析张琴(鞍钢附企给排水净水剂厂 鞍山 114011)摘 要：运用线弹性断裂力学理论研究柴油机稀土球墨铸铁曲轴断裂强度和寿命问题曲轴断裂的主要原因在于曲柄臂与连杆轴颈过渡圆角处存在缺陷，这个位置的缺陷在疲劳扩展达到临界状态时便导致曲轴失稳断裂根据断裂力学理论和实验分析，提出了降低断裂率的一些途径关 键 词：稀土球墨铸铁；曲轴断裂；裂纹扩展速率；临界裂纹尺寸；表面裂纹1 概述曲轴是内燃机的关键部件，目前许多工厂采用球墨铸铁生产柴油机曲轴球墨铸铁具有强度高、耐磨、抗震性好、成本低等优点，用以代替合金结构钢有着重大意义然而，球墨铸铁相对合金结构钢而言，韧度差，易于发生脆断，以球墨铸铁曲轴为例，有些工厂生产的曲轴断裂率达到 1％以上，远远超出断裂率 0．1％的指标曲轴断裂的重要原因在于曲柄臂与连杆轴颈过渡圆角处存在缺陷这个位置的缺陷(裂纹或夹杂等)在疲劳扩展达到临界状态时便导致曲轴失稳断裂现以 290 柴油机的稀土球墨铸铁曲轴为例分析曲轴断裂问题我国现在生产的 290 型柴油机曲轴，不少工厂是用含磷高的地方铸铁，经球化处理而直接制造的，它的化学性能见表 1，常规机械性能见表 2。

与过去常用于锻造曲轴的 40Cr合金结构钢相比，稀土球墨铸铁的韧度显然要低得多，曲轴的断裂部位绝大多数都在靠动力输出端的曲柄臂与连杆轴颈过度圆角处(见图 1)，属于弯曲疲劳断裂，呈现脆性断裂特征2 工作应力的实验测定2．1 光测弹性应力分析 [1]试验采用三维光弹模型，模型材料用环氧树脂制造，模型尺寸为原结构的 1／2采用集中加载，使曲轴得到三角形弯距模型材料条纹值(按照径向受压圆盘试样测量出值 )，实物应力与模型应力之间的关系为式(2)根据测得的应力条纹图，计算沿曲轴实际破坏断面(即与轴线成 45°面) 的各点的应力——式(3)为剪应力，式(4) 为正应力，式(5) 为主应力应力分布见图 2，计算结果见表 3结果表明，最大拉应力位于曲柄臂与连杆轴颈的内过渡圆角边上，σ max=213MPa光弹实测结果充分说明，曲轴断裂源是过渡圆角处的缺陷或裂纹，在交变的主应力作用下，发生疲劳扩展，最后裂纹深度达到某种临界状态而导致脆断2．2 电测残余应力(电阻应变仪 )290 型柴油机曲轴是整体铸造后经过正火—回火处理以及机械加工而成因而，不可避免存在残余应力在对裂纹进行断裂力学分析时，必需涉及残余应力的影响。

现在实际曲轴上采用应力松弛法进行测定首先在曲轴的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ等四个过渡圆角部位贴上 2×3mm 的电阻应变片，然后用机械加工方法释放贴应变片处的应力，用静态应变仪测量应变，然后计算出残余应力实测结果( 见表 4)表明，实际残余应力都大于规范要求的 0．1～0．2 的标准3 抗断性能参数的测定按照有关试验方法测得：(1)对于经正火—回火工艺处理的稀土球墨铸铁，从偏安全考虑，取ΚIC=84．5kg／ mm2)对于经表面软氮化处理的试样，测得 ΚIC=117kg／mm 3/23)对于经等温淬火处理的试样测得：高硅中锰情况 σs=1250MPa，Κ IC=162kg／mm；低硅中锰情况 σs=1180MPa，Κ IC=136kg／mm试验结果表明，经表面软氮化处理后，平面应变断裂韧度 ΚIC 值，比现行的经正火—回火工艺处理的曲轴的 ΚIC 值提高 38．5％；经等湿淬火处理后，Κ IC 值提高55．5％~90％，同时材料的屈服强度也大大提高4 临界裂纹尺寸由于稀土球墨铸铁的平面应变断裂韧度 ΚIC 较低，曲轴断裂实际上属于弯曲引起的脆断，因而用线弹性断裂力学 Κ 数据来计算曲轴失稳断裂时的临界断裂尺寸，是完全合理的。

实际断裂多是由于表面裂纹达到临界失稳状态(即裂纹深度达到临界尺寸 ac)而产生，所以可建立图 3 所示的断裂力学模型一般情况下，表面裂纹产生于第Ⅳ曲轴(动力输出端) 与连杆轴经交界的过渡圆角内侧；设表面裂纹为半椭圆片状，长度为 2c，深度为 a；裂纹面与曲轴面和连杆轴径表面母线都成 45°，表面裂纹与前自由界面成 90°折角；裂纹面所受张力为 σ，包括工作应力与残余应力，它们都垂直于裂纹面，按偏安全考虑张力 σ，视为均匀分布；工作应力取光弹实测的圆角处最大主应力 213MPa，残余应力按标准取材料屈服极限 σs 的 10％；曲轴的加油孔对过渡圆角处裂纹尖端应力强度因子的影响作为后自由边界的影响，取 b=10mm根据断裂力学模型，裂纹尖端应力强度因子 ΚI 值表达式为 [2]：式(7)用曲线表示如图 4 所示设 ac 为临界裂纹尺寸，将上述 ΚI 式代入线弹性断裂力学应力强度因子 ΚI 断裂判据ΚI=Κc 中并加整理，得从上式可解得临界裂纹尺寸 ac计算结果：(1)对现行经正火—回火工艺处理的曲轴，按图 3 断裂力学模型，取ΚIC=84．5kg／ mm3/2，σ=213+5．67=270MPa，b=10mm， F(s)=0．91 代入上式，求得过渡圆角处表面裂纹的临界裂纹尺寸(裂纹深度和裂纹长度即 a×2c)：3．3×∞ ，4×32，4．5×18 ，5 ．2×14，5．9×11．8(mm)。

2)对经软氮化处理的曲轴，取 ΚIC=117kg／mm3/2，σ=21．3+5．67=270MPa，可得临界裂纹尺寸：5．2×∞，5．6×44．8，6．2×24 ．8，6．8×18，7．4×14．8(mm)3)对经等湿淬火处理的曲轴取 ΚIC=16kg／mm 3/2(高硅中锰)，可得临界裂纹尺寸：5．7×∞ ，6×48．6．7×27 ，7 ．2×19，7．7×15．4(mm)将以上计算示于图 5：由图 5 可见：①裂纹深度 a 是引起失稳断裂的主要尺寸当 2c 增大，即 a/c 减小时，ac 稍有减少；当 a/c 一 0 时，可得到偏于安全的裂纹深度尺寸②随着材料平面应变断裂韧度 ΚIC 的增加，断裂时的临界裂纹深度也增加经等温淬火或表面软氮化后，球墨铸铁断裂韧度明显增加，使曲轴断裂时的临界尺寸明显增加5 降低曲轴断裂率的途径(1)避免曲轴疲劳断裂的关键在于控制曲柄臂与连杆轴经过渡圆角处的表面质量表面初始缺陷尺寸(深度)控制在 0．3~0．4mm 以下，可使曲轴寿命在数千小时以上因此，过渡圆角的表面应保证精细加工，不要有大于 0．3mm 深度的任何划痕同时，曲轴在使用过程中也要保持过渡圆角处表面避免划伤，否则将大大降低寿命。

2)同样理由，在过渡圆角处表面不应有大于 0．3mm 数量级的类裂纹或其他缺陷(深度)采用适当工艺手段控制这个部位的夹杂物尺寸，将有利于降低曲轴的断裂率3)对稀土球墨铸铁曲轴进行等温淬火或表面软氮化处理，能提高材料的平面应变断裂韧度 ΚIC 值，从而提高材料抵抗失稳断裂的能力总而言之，断裂力学分析表明，虽然球墨铸铁比合金结构钢对裂纹的敏感性要大，脆断的倾向要大，但只要按照对曲轴的断裂力学分析结果控制曲轴某些位置的缺陷或裂纹的初始尺寸，曲裂仍然可以达到很长的工作寿命，断裂率可以大大降低6 结束语曲轴断裂的重要原因在于曲轴的过渡圆角太小，曲柄臂太薄，过渡圆角加工不完善，导致连杆轴经与曲柄臂过渡圆角处应力集中严重，因而逐渐发展成横断面曲柄臂的疲劳裂纹，在疲劳扩展到临界状态时便导致曲轴失稳断裂因此，对于使用单位来说，在使用维护中应精心操作，避免划伤，确保过渡圆角的质量，降低曲轴的断裂率，延长曲轴寿命，确保生产的安全和稳定，并降低维修费用参 考 文 献：[1] M．M 弗罗赫特，光测弹性力学，第 1 卷陈森译，科学出版社． 1964．[2] 断裂分析与断裂韧性测试研究．中国金属协会《断裂》编辑部合编．湖南科学技术出版社，1980．。