曲軸是柴油機(jī)最重要的部件之一,也是柴油機(jī)中質(zhì)量最大、長(zhǎng)度最長(zhǎng)的部件,其形狀復(fù)雜、技術(shù)要求嚴(yán)格,是柴油機(jī)中造價(jià)最高的零部件之一。曲軸的作用是將柴油機(jī)各缸發(fā)出的熱量匯集起來(lái),并以回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的形式傳遞出去。因此在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),曲軸會(huì)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(rùn)滑性,更重要的是還要有足夠的強(qiáng)度和剛度。 

某型柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)突發(fā)滑油進(jìn)機(jī)低壓報(bào)警,隨即發(fā)生滑油進(jìn)機(jī)低壓安保降速和停車(chē)。船員停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)曲軸的1道曲柄銷(xiāo)處存在2條裂紋(見(jiàn)圖1)。該曲軸使用時(shí)間約為21 000 h。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法分析了該曲軸開(kāi)裂的原因,以避免該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。 

圖  1  曲軸1道曲柄銷(xiāo)的宏觀形貌

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

曲軸宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：開(kāi)裂軸段曲柄表面可見(jiàn)大量環(huán)向的磨損痕跡,相鄰的另外兩段曲軸表面均未見(jiàn)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(kāi),對(duì)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(xiāo)和曲拐的過(guò)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(kāi)裂的原因；裂紋擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)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(jiàn)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(kāi)裂曲軸上取樣并對(duì)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(kāi)裂曲軸的化學(xué)成分符合技術(shù)要求。 

1.3   金相檢驗(yàn)

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(cè)試

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

1.5   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

利用掃描電鏡對(duì)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(wú)法觀察原始裂紋形貌,R處表面可見(jiàn)明顯的腐蝕坑；裂紋擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)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(duì)裂紋源區(qū)的腐蝕坑進(jìn)行SEM觀察,并對(duì)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(guò)渡R處其他腐蝕坑的SEM形貌如圖9所示,可見(jiàn)在腐蝕坑底部已經(jīng)有裂紋萌生并擴(kuò)展。 

圖  9  過(guò)渡R處其他腐蝕坑的SEM形貌

2.   綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：開(kāi)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(jiàn)大量環(huán)向的磨損痕跡,開(kāi)裂起源于曲柄與曲拐過(guò)渡R處,該位置無(wú)法與連桿軸瓦接觸,因此判斷曲柄表面的磨損是在曲軸開(kāi)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(jiàn)明顯點(diǎn)腐蝕坑,裂紋擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)貝紋線,因此該開(kāi)裂為典型的疲勞開(kāi)裂。疲勞擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)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(cè)到腐蝕性較強(qiáng)的硫、氯元素,說(shuō)明曲軸表面在腐蝕介質(zhì)的影響下發(fā)生了點(diǎn)腐蝕。除主裂紋外的其他腐蝕坑底部也可見(jiàn)裂紋的萌生及擴(kuò)展。 

曲軸在曲柄與曲拐之間過(guò)渡R表面處發(fā)生了腐蝕,形成了腐蝕坑,同時(shí)過(guò)渡R處也是曲軸工作時(shí)受應(yīng)力較大的敏感位置。 

開(kāi)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(diǎn)腐蝕,形成了較多的腐蝕坑。曲軸的曲柄與曲拐之間過(guò)渡R處為曲軸工作時(shí)受應(yīng)力較大的敏感位置,因此過(guò)渡R處的腐蝕坑成為疲勞源,在使用過(guò)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(kāi)裂并擴(kuò)展,最終導(dǎo)致曲軸開(kāi)裂。曲軸開(kāi)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(kāi)裂的原因?yàn)椋呵S表面在腐蝕性介質(zhì)的作用下發(fā)生了點(diǎn)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(kāi)裂并擴(kuò)展,最終導(dǎo)致曲軸開(kāi)裂,且曲軸開(kāi)裂后與軸瓦發(fā)生了相互磨損。 

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