胡前城,李 兵,周 俊

(1.海軍裝備部駐上海地區(qū) 第十一軍事代表室,上海 200129;2.滬東重機有限公司,上海 200129)

曲軸是柴油機最重要的部件之一,也是柴油機中質(zhì)量最大、長度最長的部件,其形狀復(fù)雜、技術(shù)要求嚴(yán)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(fā)出的熱量匯集起來,并以回轉(zhuǎn)運動的形式傳遞出去。因此在柴油機運轉(zhuǎn)時,曲軸會受到較大的周期性扭轉(zhuǎn)力和彎曲、壓縮載荷力。在多種外力疊加的作用下,曲軸易發(fā)生扭轉(zhuǎn)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(yīng)有較高的加工精度和粗糙度,軸頸處應(yīng)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(fā)滑油進(jìn)機低壓報警,隨即發(fā)生滑油進(jìn)機低壓安保降速和停車。船員停機檢查發(fā)現(xiàn)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(fā)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(huán)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(jìn)行宏觀觀察,結(jié)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(qū)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(qū)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(qū)域的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

在開裂曲軸上取樣并對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知:開裂曲軸的化學(xué)成分符合技術(shù)要求。

表1 開裂曲軸的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

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(jìn)行腐蝕處理,然后置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)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(xué)性能測試

在開裂曲軸的相鄰軸段上取樣并對試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試,結(jié)果如表2所示。由表2可知:曲軸的各項力學(xué)性能均符合相關(guān)技術(shù)要求。

表2 曲軸的力學(xué)性能測試結(jié)果

1.5 掃描電鏡(SEM)及能譜分析

利用掃描電鏡對曲軸斷口進(jìn)行觀察,結(jié)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(qū)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(qū)的腐蝕坑進(jìn)行SEM觀察,并對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖7,8所示。由圖7,8可知:腐蝕產(chǎn)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(jié)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(jīng)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(jié)果可知:開裂曲軸的化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足相關(guān)技術(shù)要求;曲柄表面可見大量環(huán)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(chǎn)生的異常磨損;裂紋源可見明顯點腐蝕坑,裂紋擴展區(qū)可見貝紋線,因此該開裂為典型的疲勞開裂。疲勞擴展區(qū)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(zhì)的影響下發(fā)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(fā)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(yīng)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(zhì)的作用下發(fā)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(yīng)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(zhuǎn)和彎曲交變應(yīng)力的作用,腐蝕坑以疲勞的方式開裂并擴展,最終導(dǎo)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(fā)生異常磨損,導(dǎo)致曲柄產(chǎn)生大量環(huán)向摩擦痕跡[2]。

3 結(jié)論

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