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NY7机车曲轴断裂分析 |
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作者：资阳内燃机车厂 代贵斌 |
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摘要：对NY7机车断裂曲轴的化学成分、机械性能进行了分析，采用扫描电镜、金相显微镜进行了断口分析。结果表明，柴油机碾瓦是导致曲轴断裂的主要原因。
关键词：NY7机车；曲轴；断裂；疲劳；碾瓦
1 简介
NY7机车是1972年从德国进口的内燃机车，采用MA12V956SB10型柴油机，锻造曲轴材质为35CrMo4(德国牌号)合金钢，相当于我国的35CrMo。由于进口价格昂贵，因此曲轴国产化试验就提上了议事日程。选用42CrMoA合金钢锻造，整体调质，轴颈中频感应淬火，试制了一批NY7曲轴，其中有1根仅使用2万km就发生了断裂，为了搞清断裂的原因，对该曲轴进行了解剖分析。
2 检验内容与结果
2.1 断口分析及轴颈硬化层检查
2.1.1 断裂情况及断口宏观分析
曲轴断裂起源于第3连杆颈油堵孔下方，此处有2个明显的裂纹源，断口有明显的贝纹状花样，并有一个较大的台阶，属典型的疲劳断口(见图1)。裂纹先沿与轴线约成70°角的方向向内扩展，到0.5R(R为曲轴半径)处改变方向——沿与轴线约成20°角的方向扩展，直至断裂，瞬断区约占整个断口的3/5。从整根曲轴轴颈外表面状况看，只有断裂的轴颈有明显的拉伤及碾瓦痕迹，其它轴颈无明显的拉伤、碾瓦现象。
图1 曲轴断口形貌
2.1.2 断口扫描电镜分析
在扫描电镜下观察，裂纹源区无明显的夹杂物，但有大量的微裂纹，见图2。裂纹扩展区有较明显的疲劳条纹，见图3。瞬断区断口微观形貌为准解理断口。 
图2 裂纹源处的微裂纹 430×
图3 裂纹扩展区疲劳条纹 4700×
2.1.3 各轴颈表面硬度分布
为了检查各轴颈表面硬化情况及碾瓦现象，在现场对各轴颈用里氏硬度计进行了检查，结果见表1。
可见，断裂的轴颈硬度值明显降低，其它轴颈硬化层硬度正常且较均匀。
2.1.4 轴颈硬化层及流线分布
轴颈表面硬化层及锻造流线分布见图4。硬化层较均匀，深约3mm，其边缘距圆根约10mm。由于该轴颈已碾瓦，硬化层在宏观下已不太明显。轴颈锻造流线分布正常。
图4 轴颈硬化层及锻造流线分布示意
2.2 材料检查
为了检验该曲轴材质、热处理质量是否符合技术要求，对其取样进行化学成分、机械性能、低倍组织及夹杂物检验。
2.2.1 化学成分
化学成分试样取自断裂轴颈的曲柄上，分析结果见表2。可见，曲轴化学成分符合技术条件要求。
2.2.2 机械性能
机械性能试样在轴端0.5R处截取，检验结果见表3。可见，曲轴的冲击值较低，其余指标均符合技术要求。
2.2.3 低倍检验
低倍检验试样在紧靠机械性能试样端截取，检验结果见表4。
2.2.4 夹杂物检验
夹杂物检验试样在断口附近取样，检验结果见表5。
2.2.5 金相分析
在断口附近取样进行金相分析，曲轴基体组织正常，为回火上贝氏体(见图5)。断口附近的轴颈表面存在较多横向裂纹(见图6)，裂纹深度较小，约0.1mm。经硝酸—酒精浸蚀后发现，轴颈表面已严重烧伤，在表面产生了二次淬硬层(见图7)。说明该轴颈已严重碾瓦。此外，在裂纹源处也有严重的烧伤。
图5 上贝氏体组织 500×
图6 轴颈表面的裂纹 50×
图7 裂纹源附近的二次淬硬层 100×
3 分析讨论
(1)从宏观上看，断口有明显的3个区域:裂纹源区、扩展区和瞬断区。存在两个裂纹源，并同时在两个接近平行的面上扩展，在相交处形成1个台阶。从微观上看，在裂纹扩展区可见疲劳条纹，同时在裂纹源区可见较多微裂纹。由此可见，曲轴的断裂为典型的疲劳断裂[1]，而且是多源疲劳。说明整体受力较大。
(2)断裂轴颈的硬度比其它轴颈硬度低17～20HRC，微观分析发现，轴颈及圆根处存在较多裂纹，在轴颈和圆根处都有二次淬火现象，在疲劳源处存在大量微裂纹，以上这些均表明该断裂轴颈不但已严重碾瓦和拉伤，而且曲轴疲劳裂纹起源与该轴颈碾瓦有密切关系。
(3)该曲轴仅使用2个月就发生了断裂，远远没有达到它的使用寿命。检验结果表明，曲轴材质较好，调质热处理质量也较高，只是冲击值较低。有关资料和试验表明[2]，冲击值对旋转弯曲疲劳性能影响不大。此外，轴颈表层中频淬火后在圆根处要产生拉应力，该应力的存在虽然会使曲轴的疲劳性能有所降低[3]，但不可能使曲轴在如此短的时间内产生疲劳并导致断裂。只有严重碾瓦使得整个轴颈产生二次淬火并产生微裂纹，才会在应力最大的微裂纹处形成疲劳源并迅速扩展，直至断裂，也就是说，柴油机碾瓦是导致曲轴发生疲劳断裂的主要原因。
4 结束语
曲轴断裂的主要原因是碾瓦。建议:①用户查找碾瓦原因。②改进曲轴轴颈强化工艺，强化圆根，提高曲轴的整体疲劳性能。(end)
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(12/25/2006) |
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