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摩托车发动机连杆断裂原因分析
陈 明， 谭 莹， 曹 标， 周 崎， 刘健斌
(广州出入境检验检疫局化矿金属材料检测技术中心，广东广州510623)
摘 要：对断裂的摩托车发动机连杆进行宏观、金相及断口分析。结果表明连杆与输出轴之间曾发生强烈磨擦，
导致连杆局部区域应力集中及温度过高，降低了该区域的疲劳强度。同时该区域组织中存在的较粗大的碳化物
破坏了基体组织的连续性，加速了裂纹的形成和扩展。
关键词：连杆；疲劳断裂；失效分析
广东某摩托车厂一辆摩托车在运行了2000km后发生机械故障，经拆机检查，发现发动机曲轴连杆断裂。厂家送来断裂连杆要求进行断裂原因分析。据悉该连杆材料为20CrMnTi，表面经过渗碳处理。连杆工作原理见图1，连杆的往返运动带动两传动曲轴转动。
图1 曲轴连杆工作示意图
1 宏观检查
失效连杆件有两个断口，杆身未发现明显变形(图2)，在连杆断裂端的轴承弧面可见许多与断口平行的裂纹[图3(a)]；断裂端一侧面存在强烈磨擦痕迹[图3(b)]，磨损深度达0.5mm；轴承弧面靠近磨擦侧面一端可见蓝灰色的高温氧化痕迹[图3(c)]，连杆另一端未发现裂纹。断口1(图2左边的断口)较为光滑平整，断口边缘已磨损，中部可见疲劳弧线[图3(d)]；断口2(图2右边的断口)未见疲劳弧线。
图2 曲轴连杆全貌
(a)连杆断裂端的轴承弧面裂纹；(b)连杆的一个侧面受到磨损；
(c)曲轴轴承弧面靠近磨擦侧面一端蓝灰色的高温氧化痕迹；(d)断口1全貌
图3 磨损及断裂处的宏观形貌
2 扫描电镜分析
断口1在扫描电镜下显示疲劳弧线[图4(a)]；根据弧线的走向可以找到疲劳源，疲劳源在[图4(d)]右下方拐角处，局部放大，源区的细微组织大部分已磨损，但能看到放射棱特征[图4(b)]；在疲劳扩展区可见疲劳条纹及二次裂纹[图4(c)]；断口2未见疲劳条纹，只有韧窝，可见断口1是最先开始断裂的断口，而断口2是二次断口。
(a)断面区间的疲劳弧线；(b)疲劳源形貌；
(c)疲劳扩展区的二次裂纹及疲劳条纹；(d)白色块状碳化物
图4 断口的SEM照片
3 常规检验
取样对曲轴连杆相应部位按GB/T230.1-2004进行硬度测试，按GB/T9450-2005检测渗碳层厚度，按JB/6141.3-1992检验渗碳层碳化物和马氏体及残余奥氏体等级，结果见表1。结果表明连杆渗碳层表面碳化物等级超过产品技术要求，特别是在截面的四个角区域存在较严重的碳化物分布[图4(d)]。渗碳层组织为针叶状马氏体+残余奥氏体，心部组织为低碳马氏体+少量铁素体。
3 化学成分
在连杆身部位取样，进行化学成分(质量分数，%)分析，结果符合GB/T3077-1999
20CrMnTi的化学成分要求，见表2。
5 结果分析
综合上述检验结果，失效件材料化学成份符合技术条件要求。连杆断裂端一侧面出现非正常严重磨擦现象，轴承弧面靠近磨擦面一端出现的蓝灰色的氧化膜，是黑色氧化铁(Fe3O4)及红色氧化铁(Fe2O3)的混合体，其形成温度在400℃以上。表明该连杆与一输出轴之间的磨擦导致该区域温度过热。断口扫描电镜分析表明断口疲劳裂纹源在氧化膜附近的拐角处，正处于高温区域。表面氧化会使裂纹产生的机会增加，同时高温提高了蠕变损伤的可能性。另一方面磨擦导致金属表面粗糙，容易形成表面应力集中，增大疲劳源产生的可能性。断裂起源往往发生在拉应力最大的层面上。从连杆运动受力情况分析，断口1的断面所受的拉应力最大，容易在此断面靠近磨擦面的拐角处形成裂纹源。同时由于该区域存在较粗大的状碳化物，破坏了基体组织的连续性，加速了裂纹的形成和扩展，降低了疲劳强度，最终导致了疲劳断裂。
连杆渗碳表面的碳化物过大与渗碳工艺不当有关。粗大的块状碳化物主要是由于碳浓度过高造成的，特别容易在工件尖角处形成，导致零件寿命显著下降。因此在渗碳过程中应注意严格控制渗碳气氛的碳势，以免过高的碳势引起工件表面形成粗大
的碳化物。
6 结论
曲轴连杆断裂属疲劳断裂，引起断裂的原因是在使用时连杆受到剧烈磨擦，导致局部区域应力集中及温度过高，降低了材料的疲劳强度。连杆拐角处表面的较大块状碳化物加速了裂纹的萌发及扩展。
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