購(gòu)買設(shè)計(jì)請(qǐng)充值后下載，，資源目錄下的文件所見(jiàn)即所得，都可以點(diǎn)開(kāi)預(yù)覽，，資料完整，充值下載可得到資源目錄里的所有文件。。?！咀ⅰ浚篸wg后綴為CAD圖紙，doc,docx為WORD文檔，原稿無(wú)水印，可編輯。。。具體請(qǐng)見(jiàn)文件預(yù)覽，有不明白之處，可咨詢QQ:12401814
畢 業(yè) 論 文
論文題目 柴油機(jī)曲軸斷裂分析
專業(yè)名稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
所在班級(jí)
學(xué)生姓名
學(xué)生學(xué)號(hào)
指導(dǎo)教師
2006年5月 18日
摘 要
軸類零件幾乎是任何機(jī)械設(shè)備中不可缺少的重要核心零件，其主要功能是支承旋轉(zhuǎn)零件或通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞動(dòng)力或運(yùn)動(dòng)。軸類零件失效將導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備不能正常運(yùn)行，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及人的生命。
軸類零件均要經(jīng)歷設(shè)計(jì)、選材、各種冷熱加工和裝配等工藝過(guò)程，其失效可能是由其中任一工藝的某個(gè)環(huán)節(jié)失誤引起，因而軸類零件可能的失效原因往往不止一個(gè)或幾個(gè)，而是幾十個(gè)甚至更多；失效也經(jīng)常不是由某一種原因引起，而是多種原因復(fù)合作用的結(jié)果。
本論文首先簡(jiǎn)要介紹了失效分析的基本概念、失效的主要來(lái)源及模式、常用的失效分析方法及技術(shù)和失效的系統(tǒng)分析方法。失效分析技術(shù)有感官檢查診斷技術(shù)、痕跡發(fā)現(xiàn)技術(shù)、斷口和裂紋分析技術(shù)、化學(xué)成分分析技術(shù)、性能測(cè)試技術(shù)、無(wú)損檢驗(yàn)技術(shù)、宏觀殘余應(yīng)力測(cè)試。
利用宏、微觀分析方法，本論文對(duì)兩根MWM型柴油機(jī)曲軸斷裂進(jìn)行了失效分析，這兩根曲軸分別為MWM_V6型和MWM_V12型。MWM_V6型柴油機(jī)曲軸斷裂原因分析結(jié)果表明鍛件過(guò)熱過(guò)燒是導(dǎo)致斷裂的直接原因；曲軸熱處理工藝不規(guī)范、不完善，曲軸工作潤(rùn)滑條件不良加速了曲軸斷裂。MWM_V12型柴油機(jī)曲軸斷裂原因分析結(jié)果表明該曲軸材料的冶金缺陷是導(dǎo)致疲勞裂紋在正常工作應(yīng)力下過(guò)早形成的原因。同時(shí)軸頸表面硬度不均勻，淬硬層分布不甚合理；工作過(guò)程中潤(rùn)滑條件較差，促進(jìn)了曲軸的早期斷裂。
關(guān)鍵詞：曲軸；斷裂；過(guò)熱；失效分析；
Ⅰ
第 １章 緒 論
１.１ 引言
早在遠(yuǎn)古時(shí)代，人們對(duì)產(chǎn)況，失效就有了宏觀認(rèn)識(shí)。產(chǎn)品失效真正給人類帶來(lái)嚴(yán)重的危害，則是從 100多年前的工業(yè)革命開(kāi)始的。當(dāng)蒸汽動(dòng)力和大機(jī)器生產(chǎn)給人類社會(huì)帶來(lái)巨大進(jìn)步的同時(shí)，產(chǎn)品失效也給人類帶來(lái)了前所未有的災(zāi)難性事故。因而 1862年，英國(guó)建立了世界上第一個(gè)蒸汽鍋爐監(jiān)察局，把失效分析作為法律仲裁事故和提高產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)手段。隨后，在工業(yè)化國(guó)家中，對(duì)失效產(chǎn)品進(jìn)行分析的各種機(jī)構(gòu)相繼出現(xiàn)。
隨著科技的突飛猛進(jìn)，系統(tǒng)和設(shè)備日益復(fù)雜，功能不斷提高，其不可靠和不安全因素增多，導(dǎo)致故障的原因也增多，因而對(duì)故障的分析研究工作亦越來(lái)越受到世界各國(guó)的關(guān)注。工業(yè)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步正是人們不斷與產(chǎn)品失效做斗爭(zhēng)的結(jié)果，這在航空和航天事業(yè)的發(fā)展史中表現(xiàn)尤為突出。因?yàn)榧词购教祜w機(jī)這么先進(jìn)的運(yùn)載工具也可能發(fā)生故障，如美國(guó)的價(jià)值 12億美元的“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)，在1986年1月28日第11次升空時(shí)突然爆炸，使七名宇航員遭難，這一慘痛悲劇再次告誡人們忽視產(chǎn)品失效問(wèn)題將帶來(lái)災(zāi)難性的惡果。任何一次失效都可以看成是產(chǎn)品在服役條件下所做的一次最真實(shí)最可靠的科學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果；通過(guò)失效分析判斷失效模式，找出失效的原因和影響因素 （相關(guān)因素），也就找到了薄弱環(huán)節(jié)所在，從而可以改進(jìn)有關(guān)部門的工作，提高產(chǎn)品質(zhì)量．
失效分析是可靠性工程的技術(shù)基礎(chǔ)之一；是安全工程的重要技術(shù)保證之一；是維修工程的理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)依據(jù)；可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因而開(kāi)展失效分析工作是非常有意義的，其重要性一般包括以下幾個(gè)方面：
1．可以保證產(chǎn)品的可靠性，減少由于設(shè)備失效造成的人身傷亡和直接
經(jīng)濟(jì)損失；
2．可以從中吸取大量經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)以利制定和完善產(chǎn)品質(zhì)量管理的有關(guān)文件、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，是產(chǎn)品質(zhì)量管理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)；
3．有助于及時(shí) “吃透”國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，提高引進(jìn)速度、質(zhì)量和效率；
4．通過(guò)對(duì)進(jìn)口設(shè)備的失效分析可以為向外商索賠提供依據(jù)或技術(shù)仲裁：
5．可以使設(shè)備維修工作建立在失效分析的基礎(chǔ)上，從而取得良好的事故預(yù)防；
6．失效分析的結(jié)果也是現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范、規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)的適用性的實(shí)地檢驗(yàn)，可作為修訂和制訂文件的依據(jù)；
7．失效分析的統(tǒng)計(jì)資料是制訂科技開(kāi)發(fā)規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃的重要依據(jù)，失效分析可以為各級(jí)人員正確處理現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)問(wèn)題提供科學(xué)的依據(jù)。
在我國(guó)，由于長(zhǎng)期的歷史原因，現(xiàn)有設(shè)備超期服役帶病運(yùn)行相當(dāng)普遍，有相當(dāng)一部分設(shè)備存在著各種結(jié)構(gòu)缺陷、工藝缺陷、加工缺陷、制造缺陷、材料缺陷和使用不當(dāng)產(chǎn)生的裂紋或損傷腐蝕介質(zhì)影響或長(zhǎng)期超載運(yùn)行等，若盲目使用這些設(shè)備而不及時(shí)采取措施進(jìn)行監(jiān)控和防預(yù)，必將發(fā)生事故。因而，為了盡量減少事故的發(fā)生，需要進(jìn)行失效分析研究。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于失效分析方面的研究比較多，大多采用傳統(tǒng)的宏觀、微觀分析法對(duì)失效原因進(jìn)行分析。本文將采用宏觀、微觀分析法分析兩根曲軸的斷裂原因。
1.2失效分析的發(fā)展簡(jiǎn)況
長(zhǎng)期以來(lái)，人類在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷與產(chǎn)品失效作斗爭(zhēng)，但失效分析僅作為零星、分散、宏觀的經(jīng)驗(yàn)世代相傳。失效分析作為一種學(xué)科分支還是近半個(gè)世紀(jì)的事情。材料科學(xué)的興起、先進(jìn)測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用以及近代物理、化學(xué)等的全面發(fā)展，使得人們能夠從微觀方面闡明產(chǎn)品失效的本質(zhì)、規(guī)律和原因。在此基礎(chǔ)上，失效分析走上系統(tǒng)、綜合、理論化的新階段。近半個(gè)世紀(jì)所積累的失效分析知識(shí)與技術(shù)千百倍于人類前期有關(guān)知識(shí)的總和。但這種知識(shí)必然隨著人類生產(chǎn)實(shí)踐和科技進(jìn)步而不斷發(fā)展．雖然由于科技的發(fā)展，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用與維修上的技術(shù)改進(jìn)，使得產(chǎn)品的可靠性日益提高，然而，失效事件并不會(huì)最終消失。而且，產(chǎn)品的自動(dòng)化程度愈高、技術(shù)愈密集，一旦出現(xiàn)失效，造成的損失就愈嚴(yán)重。因此失效分析將隨著科技的高速發(fā)展顯得更為重要。
遠(yuǎn)在 1862年英國(guó)建立世界第一個(gè)蒸氣鍋爐監(jiān)察局時(shí)，失效分析就被作為法律仲裁產(chǎn)品質(zhì)量事故的技術(shù)判斷手段。在 1938—1945年間，美國(guó)質(zhì)量管理學(xué)會(huì)發(fā)起 “失效廢品檢驗(yàn)規(guī)劃”，號(hào)召生產(chǎn)企業(yè)把失效分析作為重要環(huán)節(jié)納入質(zhì)量管理系統(tǒng)。在四十年代末和五十年代初，為解決電子產(chǎn)品失效問(wèn)題而發(fā)展起來(lái)的可靠性理論使失效分析進(jìn)入到一個(gè)新的階段。到六十年代，人們更開(kāi)始了機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)可靠性理論的研究。近年來(lái)，失效物理和失效分析在這種認(rèn)識(shí)推動(dòng)下，也得到了很大的重視和發(fā)展。失效分析推動(dòng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展，提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有重要作用和意義。
1.3 本課題的背景和意義
某廠生產(chǎn)的 MWM柴油機(jī)曲軸在使用過(guò)程中陸續(xù)發(fā)生斷裂事故，這是一個(gè)重大的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還對(duì)該廠的市場(chǎng)銷售、質(zhì)量信譽(yù)產(chǎn)生不良影響，因而需要盡快解決這一問(wèn)題。本課題就是在這個(gè)工程背景下，試圖對(duì)其中兩根斷軸進(jìn)行失效分析，以期找到失效的真正原因。
1.4 本課題的主要工作內(nèi)容和研究方法
1.4.1 本課題的主要工作內(nèi)容
本文運(yùn)用宏、微觀方法對(duì)之進(jìn)行失效分析，給出MWM_V6、MWM_V12斷裂的原因。
1.4.2 本課題的研究方法
本論文首先對(duì)MWM_V6及MWM_V12型柴油機(jī)曲軸的斷口進(jìn)行宏觀觀察，進(jìn)而利用掃描電鏡進(jìn)行微觀斷口分析，并采用金相方法分析斷口附近的夾雜物，然后利用掃描電鏡所帶的能譜儀測(cè)量夾雜物的成分，最后確證曲軸斷裂的原因。
第２章 失效分析的方法
2.1 失效分析概況
2.1.1失效分析的基本概念
所謂失效，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3187-82《可靠性基本詞術(shù)語(yǔ)及定義》，就是：“產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能，對(duì)可恢復(fù)產(chǎn)品通常也稱故障”。為了研究失效的原因，確定失效的模式或機(jī)理，并采取補(bǔ)救或預(yù)防措施以防止失效再度發(fā)生的技術(shù)活動(dòng)與管理活動(dòng)，叫做 “失效分析”。因此失效分析是可靠性工程的重要組成部分，也是保證產(chǎn)品可靠性而需建立的反饋系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。
失效分析是一門涉及系統(tǒng)分析、系統(tǒng)安全、產(chǎn)．V設(shè)計(jì)、材料力學(xué)、斷裂力學(xué)、斷裂物理、斷口學(xué)、材料學(xué)、測(cè)試技術(shù)、金屬學(xué)、金屬工藝、強(qiáng)度計(jì)算、產(chǎn)品質(zhì)量全面管理等眾多領(lǐng)域的綜合學(xué)科，它包括三個(gè)方面：
1．事前故障的預(yù)測(cè)技術(shù)，如可靠度計(jì)算、故障率評(píng)價(jià)和可靠性分析法
2．事中故障診斷技術(shù) （應(yīng)力定量化技術(shù)、故障檢測(cè)及故障征兆診斷技術(shù)、設(shè)備或系統(tǒng)強(qiáng)度、故障性能定量化及劣化定量化技術(shù)等）；
3．事后失效分析 （壽命預(yù)測(cè)技術(shù)、故障機(jī)理、失效模式的測(cè)定技術(shù)、失效評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)、維修技術(shù)等）。
上述事后失效分析也即是失效分析或故障分析，是指事故或故障發(fā)生后的檢測(cè)和分析，以便找到失效的部位、原因和機(jī)理；掌握產(chǎn)品的改進(jìn)線索或修復(fù)方法，防止問(wèn)題重復(fù)發(fā)生。近年來(lái)，失效分析工作還注意了反饋與發(fā)展，在工況與質(zhì)量上做了不少工作，從事前分析、事后預(yù)防發(fā)展到事中監(jiān)控。
2.1.2失效的主要來(lái)源及模式
失效經(jīng)常是由多方面原因造成的，其主要來(lái)源包括設(shè)計(jì)、選材、材料缺陷、制造工藝、再加工、組裝、檢查、試驗(yàn)、質(zhì)量控制、貯運(yùn)、工作條件、維修和工作中預(yù)先未暴露的過(guò)載以及機(jī)械的或化學(xué)的損傷等。
1．設(shè)計(jì)上的缺點(diǎn)：機(jī)械缺口、改變?cè)O(shè)計(jì)、零件的升級(jí)使用、設(shè)計(jì)判據(jù)不充分等。
2．材料選擇上的缺點(diǎn)：拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確 （選材的一般判據(jù)如表2-1）。
3．材料中的缺陷：鑄件 （冷隔、夾雜物、疏松、空隙和縮孔是鑄件特有的），鍛件（折疊、接逢、收縮、空洞和鍛造流線花樣為鍛件特有）。
4．加工中存在的問(wèn)題：各種冷熱加工中的問(wèn)題。
5．裝配中的失誤：操作人員的疏忽行為、裝配規(guī)程不完善、對(duì)中不良。
6．不合理的服役條件：?jiǎn)?dòng)、停車、維修不當(dāng)。
失效模式是失效的外在宏觀表現(xiàn)形式和過(guò)程規(guī)律。金屬構(gòu)件的失效模式可分為斷裂、表面損傷和過(guò)量變形，這三個(gè)大的方面。具體的說(shuō)，機(jī)械失效的主要模式如表2-2。
表 ２-１針對(duì)可能的失效機(jī)理、載荷類型、應(yīng)力類型和
指定的工作溫度進(jìn)行選材時(shí)應(yīng)用的一般判據(jù)
表２．２金屬部件的各種失效模式
2.2 常用失效分析方法及技術(shù)
2.2.1 常用失效分析方法 （失效分析的一般程序與步驟）
1．失效分析的思路
失效分析思路是對(duì)于己經(jīng)發(fā)生的事故考慮從什么地方開(kāi)始，沿著什么樣的程序去分析研究故障現(xiàn)象的因果關(guān)系，確定事故原因，完成分析任務(wù)。斷裂失效分析思路一般是：斷裂失效事故→故障件裂紋或斷口分析→力學(xué)性能分析→顯微組織分析→結(jié)構(gòu)受力分析→使用維護(hù)分析。必要時(shí)可進(jìn)行工藝分析、材料成分分析、環(huán)境分析、相結(jié)構(gòu)分析和殘余應(yīng)力分析。
２．?dāng)嗔咽Х治龅囊话愠绦?
圖２-１斷裂失效分析的一般程序
３．失效分析的具體過(guò)程
（１） 調(diào)查研究
?、?向機(jī)器操作者調(diào)查破壞過(guò)程，觀察破壞現(xiàn)場(chǎng)，了解破壞構(gòu)件在機(jī)器的部位和工作情況。
?、?向生產(chǎn)工人和技術(shù)人員調(diào)查構(gòu)件的生產(chǎn)工藝歷史和工藝參數(shù)。
③ 向設(shè)計(jì)人員調(diào)查構(gòu)件的設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)計(jì)算。
?、?外觀檢查，觀察破壞構(gòu)件的外形特征。
?、?服役條件、工作環(huán)境等的綜合分析。
（２） 斷口分析、斷面分析、變形量測(cè)定
?、?斷裂試樣的正確選擇及切取。
② 斷口的宏觀分析。
③ 斷口的微觀分析。
（３） 內(nèi)在質(zhì)量的檢驗(yàn)
?、?低倍檢驗(yàn)：主要檢查夾雜、氣孔等低倍檢查項(xiàng)目。
?、?金相組織分析：檢查破斷零件的裂紋分布及走向，金相組織是否正常。
?、?材料的化學(xué)成分分析：主要復(fù)驗(yàn)材料的化學(xué)成分是否合乎零件的要求，以及雜質(zhì)、偏析和可能引起問(wèn)題的微量元素在材料中的含量及大致分布。
?、?機(jī)械性能測(cè)定：主要復(fù)驗(yàn)材料的常規(guī)機(jī)械性能是否合格，據(jù)構(gòu)件破壞部位的幾何形狀、應(yīng)力分布情況、負(fù)載的變化等情況與該類情況下的靜／動(dòng)機(jī)械性能比較。
（４） 判明失效的原因：據(jù)上面的調(diào)查研究及實(shí)驗(yàn)檢查結(jié)果，綜合分析造成構(gòu)件失效的原因。
（５） 提出改進(jìn)措施
（６） 實(shí)際運(yùn)行考驗(yàn)
2.2.2常用失效分析技術(shù)
失效分析技術(shù)是指在各種失效分析方法中具體所采用的分析技術(shù)和手段。對(duì)失效分析對(duì)象而言，失效分析技術(shù)從總體上可分為非破壞性和破壞性失效分析技術(shù)，具體可分為：感官檢查診斷技術(shù)、痕跡發(fā)現(xiàn)技術(shù)、斷口和裂紋分析技術(shù)、化學(xué)成分分析技術(shù)、性能測(cè)試技術(shù)、無(wú)損檢驗(yàn)技術(shù)、宏觀殘余應(yīng)力測(cè)試等。
１．感官檢查診斷技術(shù)
失效分析與醫(yī)生看病或偵察案件相似，對(duì)信息資料既要單獨(dú)和分類推敲，又要綜合分析，通盤考慮，然后提出疑問(wèn)、假設(shè)，進(jìn)一步有針對(duì)性地補(bǔ)充信息資料，多方考核，驗(yàn)證假設(shè)，從眾多原因中，逐步確定取舍，從而得出可靠結(jié)論，并提出切實(shí)可行的預(yù)防措施，最后在實(shí)踐中進(jìn)一步驗(yàn)證。
感官檢查是一種直觀、簡(jiǎn)潔、使用方便、可靠性好的應(yīng)用技術(shù)。主要依靠人體感官功能和智力、經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合來(lái)獲取、存儲(chǔ)、加工處理信息，達(dá)到分析目的。它主要包括視覺(jué)檢查、觸覺(jué)檢查、嗅覺(jué)檢查等。
２．痕跡發(fā)現(xiàn)技術(shù)
失效分析中進(jìn)行宏觀、微觀分析時(shí)都離不開(kāi)痕跡分析。通過(guò)痕跡分析，不僅可對(duì)事故和失效的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程做出判斷，并可為事故和失效分析結(jié)論提供可靠的佐證和依據(jù)。所謂痕跡分析就是對(duì)表面形貌 （花樣）的變化、成分的變化 （或材料的遷移）、顏色的變化、表層組織、性能的變化、殘余應(yīng)力的變化、以及表面污染狀態(tài)的變化等變化特征進(jìn)行診斷鑒別，找出變化的原因，為事故和機(jī)械失效分析提供線索和證據(jù)。其主要研究?jī)?nèi)容是：
?、?研究機(jī)械表面上形成痕跡的物理、化學(xué)過(guò)程 （即機(jī)制）；
?、?研究痕跡對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)及其功能的影響；
③ 研究不同材料表面性能與痕跡的關(guān)系及其在機(jī)械失效分析中的應(yīng)用；
?、?痕跡的理化檢驗(yàn)方法；
?、?痕跡的各種預(yù)防措施和表面強(qiáng)化或改性技術(shù)。
在一般情況下，痕跡分析程序是；
①尋找、發(fā)現(xiàn)和顯現(xiàn)痕跡；
?、诤圹E的提取、固定、顯現(xiàn)、清洗、記錄和保存；
?、坭b定痕跡 （這是痕跡分析的重點(diǎn)工作）一般原則是由表及里，由簡(jiǎn)而繁，先宏觀后微觀，先定性后定量。遵循形貌→成分→組織結(jié)構(gòu)→性能的分析 順序；
?、?痕跡的模擬再現(xiàn)試驗(yàn)：
⑤綜合性分析：
⑥ 做分析結(jié)論并寫出有建設(shè)性意見(jiàn)的報(bào)告。
３．?dāng)嗫诤土鸭y分析技術(shù)
斷口和裂紋分析一般包括宏觀分析與微觀分析兩個(gè)方面。前者指用肉眼或 40倍以下的放大鏡、實(shí)休顯微鏡對(duì)斷口或裂紋進(jìn)行觀察分析，可有效地確定斷裂起源和擴(kuò)展方向：后者指用光學(xué)顯微鏡、透射電鏡、掃描電鏡等對(duì)斷口或裂紋進(jìn)行觀察、鑒別與分析，可以有效地確定斷裂類型與機(jī)理。宏觀分析和微觀分析是不可分割的整體，二者不可互相取代，只能互相補(bǔ)充、互相促進(jìn)。過(guò)分依賴微觀分析而不重視宏觀分析，只根據(jù)幾個(gè)微觀視場(chǎng)的特征就做出判斷，往往會(huì)導(dǎo)致全局性的判斷失誤；反之，忽視微觀分析只進(jìn)行宏觀分析，則可能得出膚淺乃至錯(cuò)誤的結(jié)論。斷口和裂紋分析技術(shù)一般包括：分析對(duì)象的確定與顯示技術(shù)、觀察與照相記錄技術(shù)、識(shí)別與診斷技術(shù)、定性與定量分析技術(shù)及儀器與設(shè)備的使用技術(shù)等。
４．化學(xué)成分分析技術(shù)
在失效分析中，常常需要對(duì)失效零件的材料成分 （包括定牌號(hào)、全成分或部分成分）、外來(lái)物 （如擦痕或?yàn)R射附著物）、表面沉積物、腐蝕生成物及氧化物等進(jìn)行定性或定量的分析，以便為最終的失效分析結(jié)論提供依據(jù)。
ａ．常規(guī)分析技術(shù)
該技術(shù)主要用于分析失效零件名義或宏觀區(qū)域的材料成分，其主要方法有：
① 濕法化學(xué)分析：可準(zhǔn)確分析含量較大的金屬，陰離子的有無(wú)及其濃度；
② 半定量發(fā)射光譜和原子吸收光譜：用于分析合金成分；
③ 燃燒法：用于測(cè)定金屬中的碳、硫、氫、氮、氧的含量；
④ 點(diǎn)滴法：可簡(jiǎn)單地定性分析金屬中的合金元素、沉淀物、腐蝕產(chǎn)物、土壤等；
⑤ 紅外、紫外光譜：用于檢測(cè)有機(jī)物質(zhì)。
ｂ．表面及微區(qū)分析技術(shù)
在失效分析中，相對(duì)于名義或宏觀區(qū)域的成分分析，失效零件的材料的表面成分及失效源區(qū)的微區(qū)成分分析更為重要，尤其是對(duì)表面損傷或者由于諸如夾雜、成分偏析等造成的失效。目前主要的分析儀器有：俄歇電子譜儀、離子探針、電子探針、ｘ射線能譜儀、ｘ射線波長(zhǎng)譜儀等。在掃描電鏡上可裝置俄歇電子譜儀、ｘ射線能譜儀、ｘ射線波長(zhǎng)譜儀等，以滿足微區(qū)成分分析的需要。
ｃ．鐵譜分析技術(shù)
為了對(duì)齒輪等承受摩擦作用的機(jī)械零件進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，美國(guó)于1971年研制成功一種實(shí)驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)—鐵譜技術(shù) （Ｆｅｒｒｏｇｒａｐｈｙ?。?。該技術(shù)不僅在設(shè)備維修、工況監(jiān)測(cè)、摩擦學(xué)研究等方面具有理論意義，而且在失效分析、故障診斷等領(lǐng)域中具有重要的實(shí)用價(jià)值。其分析對(duì)象是含有磨損粒子的潤(rùn)滑油，在鐵Ａ儀的梯度磁場(chǎng)中，磁性和幾何尺寸各異的磨損粒子被分離開(kāi)來(lái)。
５．性能測(cè)試技術(shù)
對(duì)于一些重大的、復(fù)雜的斷裂或變形失效，往往必須作力學(xué)性能方面的試驗(yàn)分析工作，優(yōu)先考慮的試驗(yàn)有硬度試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)等，若上述試驗(yàn)不足以說(shuō)明結(jié)論意見(jiàn)時(shí)，可進(jìn)一步取樣作其它性能試驗(yàn)，如拉伸試驗(yàn)Kic，da／dN、耐磨性及腐蝕敏感性試驗(yàn)等。
６．無(wú)損檢驗(yàn)技術(shù)
無(wú)損檢驗(yàn)就是應(yīng)用一些物理現(xiàn)象，在不改變材料或零件形狀和性能 （包括機(jī)械性能和化學(xué)性質(zhì)）條件下，迅速可靠地確定其表面或內(nèi)部裂縫和其他缺陷的大小、數(shù)量和位置的方法。在失效分析中應(yīng)用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的目的在于：
① 檢查失效件的同批服役件、庫(kù)存件，防止同類事故的發(fā)生，若能查出第二件、第三件，則更有利于失效性質(zhì)及失效原因的分析判斷；
② 某些容器、管道、殼體，甚至一些復(fù)雜形狀的系統(tǒng)裝置出現(xiàn)裂紋或泄露時(shí)，常需要借助于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)來(lái)確定其確切部位，以便取樣分析或采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施；
③ 在脆性破壞中，利用無(wú)損檢驗(yàn)技術(shù)來(lái)檢測(cè)監(jiān)視臨界裂紋長(zhǎng)度，防止發(fā)生脆斷。
無(wú)損檢驗(yàn)是一門系統(tǒng)而復(fù)雜的新興學(xué)科，其檢驗(yàn)方法己有十多類，有的正在不斷完善，并向著自動(dòng)化，提高性能及靈敏度，使用電視裝置等方面發(fā)展 （如 ｘ射線探傷、磁力探傷、超聲波探傷等），有的還在發(fā)展中。根據(jù)無(wú)損探傷的原理，其檢驗(yàn)方法大致可分為五類：放射性探傷、電磁探傷、聲試驗(yàn)法探傷、滲透法探傷和熱試驗(yàn)法探傷。
７．宏觀殘余應(yīng)力測(cè)試
金屬零件經(jīng)各種冷熱加工 （如切削、磨削加工、裝配、冷拔、熱處理等）之后，其內(nèi)部或多或少都存在殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在對(duì)材料的疲勞、耐腐蝕、尺寸穩(wěn)定性都有影響，甚至在服役過(guò)程中引起相變。據(jù)最近的調(diào)查分析，由于殘余應(yīng)力影響或?qū)е碌臋C(jī)械零件失效達(dá)80％以上。因此在失效分析中，常需對(duì)機(jī)械零部件的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)定。宏觀殘余應(yīng)力測(cè)定方法很多，如電阻應(yīng)變片法、光彈性復(fù)膜法、脆性涂料法、ｘ射線法及聲學(xué)法等。
面對(duì)如此繁多的失效分析實(shí)驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)，在進(jìn)行某項(xiàng)具體的失效分析時(shí)該選用哪些檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)根據(jù)失效現(xiàn)象的復(fù)雜程度，同時(shí)考慮失效分析的深度、時(shí)間性和經(jīng)濟(jì)性；即要依據(jù)失效分析的實(shí)際需要，檢測(cè)技術(shù)的適用性和經(jīng)濟(jì)性選用實(shí)驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)。
2.3 本章小結(jié)
本章主要介紹了失效分析的基本概念、失效的主要來(lái)源及模式、常用的失效分析方法及技術(shù)。失效分析技術(shù)中主要介紹了感官檢查診斷技術(shù)、痕跡發(fā)現(xiàn)技術(shù)、斷口和裂紋分析技術(shù)、化學(xué)成分分析技術(shù)、性能測(cè)試技術(shù)、無(wú)損檢驗(yàn)技術(shù)、宏觀殘余應(yīng)力測(cè)試。
第３章 MWM_V6型柴油機(jī)曲軸斷裂原因分析
本章分析了MWM_V6型柴油機(jī)曲軸斷裂原因，結(jié)果表明鍛件過(guò)熱過(guò)燒是導(dǎo)致斷裂的直接原因；曲軸熱處理工藝不規(guī)范、不完善，曲軸工作潤(rùn)滑條件不良加速了曲軸斷裂。本章還對(duì)加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量管理和失效分析工作提出了意見(jiàn)．
該MWM_V6型柴油機(jī)曲軸，斷裂發(fā)生于 B1缸連桿軸頸。
該曲軸采用42CrMoA電渣重熔鋼制造，其主要工藝流程為：
下料→模鍛→調(diào)質(zhì)→冷加工→中頻感應(yīng)淬火→回火→精磨。
大約同期出廠的一批柴油機(jī)發(fā)生多起類似的斷軸事故。
中頻淬火只對(duì)軸頸平直段進(jìn)行，軸頸與曲柄連接的過(guò)渡圓角部位，因后續(xù)磨削工藝裝備尚未完善而不進(jìn)行中頻淬火處理。按技術(shù)條件規(guī)定軸頸經(jīng)表面淬火后，其硬度達(dá)5861HRC。
MWM機(jī)型是我國(guó)近年來(lái)引進(jìn)的柴油機(jī)系列產(chǎn)品，目前正處于技術(shù)消化和應(yīng)用推廣階段，其生產(chǎn)過(guò)程中，因某些工藝環(huán)節(jié)尚存在不盡完善或不太合理的地方而影響產(chǎn)品質(zhì)量，導(dǎo)致個(gè)別零件早期失效，是在所難免的，屬于發(fā)展中的問(wèn)題，需在實(shí)踐中不斷改進(jìn)，日臻完善，完成國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。但該MWM_V6機(jī)因曲軸斷裂，使整機(jī)壽命只有幾十個(gè)小時(shí)，當(dāng)屬嚴(yán)重的質(zhì)量事故。對(duì)此類事故，若不查明原因，采取改進(jìn)措施，防止類似事故重復(fù)發(fā)生，該產(chǎn)品將喪失其機(jī)械產(chǎn)品信譽(yù)和競(jìng)爭(zhēng)能力。
3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1.1 斷裂宏觀檢查
該連桿軸頸靠近斷口一端嚴(yán)重磨損，表面粗糙，呈焦油色，該區(qū)域內(nèi)的斷口表面也呈焦油色．整個(gè)斷口表面較粗糙，部分呈粗糙的貝紋花樣，貝紋間隔為3-5mm，屬疲勞斷裂區(qū)；部分為靜段區(qū)，呈暗灰色，其中兩處有石狀斷口特征。疲勞區(qū)約占斷口總面積62%．
宏觀斷口如圖3-1所示。斷裂源位于軸頸圓角表面嚴(yán)重磨損的一端，距曲柄平面5mm處，裂縫由曲頸表面開(kāi)始，一部分沿與軸線成45°角方向向曲頸內(nèi)擴(kuò)展；另一部分向曲頸內(nèi)擴(kuò)展，約10mm之后轉(zhuǎn)折方向，也沿與軸線成45°角方向向曲頸內(nèi)擴(kuò)展，整個(gè)裂縫穿過(guò)軸頸上的油孔，最后在軸頸上形成斜斷口。
軸頸/曲柄圓角處未淬火區(qū)為從圓角根部向曲頸內(nèi)約10mm范圍，其硬度為24～30HRC；軸頸淬火的表面硬度為40～46HRC，心部為24～30HRC，顯然，該曲軸淬火后的表面硬度遠(yuǎn)未達(dá)到技術(shù)要求，其未淬火帶尺寸也大于工藝中所要求的（5.7）mm。
3.1.2 裂縫源處斷口分析
裂縫開(kāi)始于軸頸/曲柄圓角處的非淬火帶上，裂縫源處斷口平坦、光滑，呈暗灰色；在其一側(cè)有臺(tái)階特征，呈放射狀，另一側(cè)有貝紋特征的弧線。裂縫源處掃描斷口形狀如圖3-2所示，呈沿晶斷裂特征，晶粒粗大。表明裂縫在被削弱的晶界開(kāi)始并沿晶界快速擴(kuò)展的情況。
3.1.3 金相檢驗(yàn)
圖3-1中箭頭所指處為石狀斷口區(qū)，該區(qū)距軸頸表面約6mm，在此切取金相試樣，在未經(jīng)侵蝕的頸向截面上，可觀察到尺寸非常粗大的晶界氧化物和晶界開(kāi)裂，如圖3-3所示。在圖3-3a中夾雜物上選不同形態(tài)的二點(diǎn)作能譜分析，結(jié)果列于表3-1，表明該夾雜物為氧化物夾雜伸長(zhǎng)方向和晶界開(kāi)裂方向與曲軸流動(dòng)方向一致，可以認(rèn)為這些缺陷是存在于鍛件中的。
表3-1 晶界氧化物成分（原子百分含量）
對(duì)圖3-3（a）中氧化物夾雜與基體邊界處測(cè)定顯微硬度，結(jié)果列于表2-3，表明氧化物附近基體有輕微脫碳。
在該斷口附近還可觀察到大面積的夾雜物群，如圖3-3（c）。
圖3-1中雙箭頭所指處切取金相試樣，在與軸線垂直的截面上，經(jīng)飽和苦味酸侵蝕后的組織如圖3-4。圖中顯示的是距軸頸表面約3mm處的情況，晶粒較粗大，沿晶界有大量夾雜物析出（圖3-4（a）），甚至還有局部晶界開(kāi)裂（圖3-4（b））。該試樣經(jīng)硝酸酒精溶液侵蝕的組織如圖3-5，圖中顯示在淬硬層與心部過(guò)度區(qū)附近存在大量沿晶界分布的夾雜物質(zhì)點(diǎn)；能譜分析表明，這些夾雜物系氧化物及硫化物。這是由于終鍛溫度過(guò)高，在鍛后停留過(guò)程中形成的。
表3-2 氧化物顯微硬度
試樣心部較清潔部分的顯微組織為回火索氏體組織，如圖3-6，圖中仍可以比較清楚地沿晶界析出的異向質(zhì)點(diǎn)。這些調(diào)質(zhì)組織比較粗大，經(jīng)苦味酸腐蝕后的原奧氏體晶界如圖3-7。
上述金相分析表明，該曲頸有比較嚴(yán)重的冶金缺陷，如大尺寸，密集分布的夾雜物及晶界開(kāi)裂等；在軸頸心部晶粒較粗大些，晶界開(kāi)裂嚴(yán)重，靠近軸頸表面處，晶粒尺寸稍小，開(kāi)裂也較輕，這與裂紋源處的沿晶開(kāi)裂相一致；在氧化物夾雜和晶界開(kāi)裂附近的基體有一定程度的脫碳，根據(jù)對(duì)鍛件缺陷的研究，可以認(rèn)為該曲軸的上述缺陷是在鍛造過(guò)程中形成的，并屬于過(guò)燒。此外，因終鍛溫度過(guò)高，導(dǎo)致奧氏體晶粒粗大且有非金屬夾雜物質(zhì)點(diǎn)沿晶界析出。
3.1.4 軸頸表面殘余應(yīng)力測(cè)定
利用 ｘ射線方法測(cè)（211）衍射譜線半高寬刀確定軸頸表面殘余應(yīng)力，測(cè)試結(jié)果表明，在過(guò)渡圓角未淬火部位出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力約 35MPa，己淬火表面均為殘余壓應(yīng)力，軸頸中段殘余壓應(yīng)力平均為一800 MPa，如圖3-8。
圖3-8連桿軸頸表面淬火后沿長(zhǎng)度分布?xì)堄鄳?yīng)力
3.2 討論
上述結(jié)果表明，該曲軸鍛造過(guò)燒，導(dǎo)致晶界氧化物和晶界開(kāi)裂等不可消除的缺陷，是構(gòu)成石狀斷口的本質(zhì)原因。又因終鍛溫度過(guò)高導(dǎo)致大量非金屬夾雜物質(zhì)點(diǎn)沿晶界析出，嚴(yán)重地削弱了晶界結(jié)合力，造成材料疲勞強(qiáng)度的嚴(yán)重?fù)p傷。
裂紋源于曲柄／連桿軸頸的過(guò)渡圓角處，此處存在應(yīng)力集中：測(cè)得圓角半徑，r =6.5mm，根據(jù)應(yīng)力集中手冊(cè)，該處彎曲應(yīng)力集中系數(shù)為Ｋro＝1.93，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力集中系數(shù)Ｋrs＝1.58。顯然，這里應(yīng)該進(jìn)行強(qiáng)化。
洛氏硬度的測(cè)試結(jié)果表明，該軸的表面淬火硬度較技術(shù)要求低約25%導(dǎo)致材料的疲勞極限也損失約25%；同時(shí)熱處理工藝中對(duì)曲柄／軸頸圓角處沒(méi)有進(jìn)行淬火處理。從抗疲勞失效的角度考慮，圓角部位是最應(yīng)該強(qiáng)化的地方，但在本曲軸上卻成為最削弱的地方。冶金因素造成的材料損傷與軸頸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特點(diǎn)的迭加，必然在圓角部位首先形成裂紋。
前己述及，該曲軸工作過(guò)程中潤(rùn)滑不良，軸頸磨損嚴(yán)重，這也必然導(dǎo)致軸頸所受扭矩增大，對(duì)于扭轉(zhuǎn)載荷來(lái)說(shuō)，連桿軸頸成為最薄弱環(huán)節(jié)，裂紋形成后向軸頸內(nèi)部擴(kuò)展并表現(xiàn)出剪應(yīng)力起主導(dǎo)作用的裂紋特征，形成斜斷口 。
當(dāng)裂紋擴(kuò)展到接近最終裂紋尺寸時(shí)，將會(huì)引起過(guò)量變形，從而影響運(yùn)動(dòng)精度，隨之而來(lái)的是震動(dòng)和噪音加大，磨損加劇，局部溫升，抱軸等，以致殘留的軸頸截面被扭斷。軸頸上和斷口上的局部焦油色就是在這一過(guò)程中形成的。
3.3 對(duì)改進(jìn)柴油機(jī)曲軸質(zhì)量的意見(jiàn)
曲軸是柴油機(jī)最重要的零件之一，國(guó)家規(guī)定柴油機(jī)曲軸斷軸率小于萬(wàn)分之五，但是，目前國(guó)產(chǎn)柴油機(jī)曲軸斷裂 （尤其早期斷裂）仍是普遍存在的問(wèn)題。導(dǎo)致斷軸的原因主要是冷、熱加工以及配件質(zhì)量和使用維護(hù)等方面的問(wèn)題。除這些直接原因外，在生產(chǎn)管理方面存在的問(wèn)題，如對(duì)影響產(chǎn)品質(zhì)量的各環(huán)節(jié)的管理，充分發(fā)揮質(zhì)檢部門的作用，強(qiáng)化失效分析及信息反饋工作等，對(duì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品斷裂控制有更重要的影響。以本文的曲軸斷裂為例，熱加工缺陷固然是失效的直接原因，但存在如此缺陷的斷件又是如何從鑄鍛廠流入到柴油機(jī)廠的？本應(yīng)報(bào)廢的鍛件又是如何跟隨正品鍛件走完全部工藝流程，并通過(guò)檢驗(yàn)出廠的？同批進(jìn)廠鍛坯的曲軸連續(xù)發(fā)生的數(shù)起類似早期斷裂事故，想到我們需要消化吸收新技術(shù)以趕超先進(jìn)水平，看來(lái)充分發(fā)揮質(zhì)量管理部門的職能，強(qiáng)化生產(chǎn)各環(huán)節(jié)和管理部門的質(zhì)量意識(shí)是何等重要！
3.4 本章小結(jié)
（1）該曲軸因鍛造過(guò)燒造成晶界氧化物和晶界開(kāi)裂等不可消除的缺陷，這也是造成石狀斷口的原因；終鍛溫度過(guò)高導(dǎo)致大量非金屬夾雜物質(zhì)點(diǎn)沿晶界析出，嚴(yán)重削弱了晶界結(jié)合力，損傷了材料的疲勞強(qiáng)度；這是該曲軸早期斷裂的直接原因。
（2）該曲軸熱處理工藝不規(guī)范，非淬火帶超差，淬火帶硬度不足；熱處理工藝不完善，在曲柄／軸頸過(guò)渡圓角處存在應(yīng)力集中的地方，也就是在未淬火帶上，造成拉應(yīng)力。
（3）該曲軸工作過(guò)程中潤(rùn)滑條件不良。
第４章MWM_V12型柴油機(jī)曲軸斷裂原因分析
本章分析了MWM_V12型柴油機(jī)曲軸斷裂原因。結(jié)果表明該曲軸材料的冶金缺陷是導(dǎo)致疲勞裂紋在正常工作應(yīng)力下過(guò)早形成的原因。同時(shí)軸頸表面硬度不均勻，淬硬層分布不甚合理：工作過(guò)程中潤(rùn)滑條件較差，加速了曲軸的斷裂。
該曲軸以1500r/min條件運(yùn)行時(shí)，曲軸突然斷裂，累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約100h拆檢發(fā)現(xiàn)斷裂發(fā)生于第6檔連桿軸頸，屬于典型的早期斷裂。
該曲軸采用42CrMoA電渣重熔鋼制造，主要工藝流程為：
下料→模鍛→調(diào)質(zhì)→冷加工→中頻感應(yīng)淬火→回火→精磨。
中頻淬火只對(duì)軸頸平直段進(jìn)行，軸頸與曲軸連接的過(guò)渡圓角部位，因后續(xù)磨削工藝裝備尚未完善而未進(jìn)行中頻淬火處理。按技術(shù)條件規(guī)定，軸頸經(jīng)表面淬火后，其硬度應(yīng)達(dá)58~61HRC。
4.1 試驗(yàn)結(jié)果與分析
4.1.1 斷軸宏觀檢查
宏觀斷口如圖4-1：裂紋源（箭頭指處）位于連桿軸頸／曲柄過(guò)渡圓角處，裂紋沿與軸線成45°方向穿過(guò)曲柄，與對(duì)面主軸頸／曲柄過(guò)渡圓角處相連接。裂紋源距曲柄平面約6mm，恰在 Ｒ部位的未淬火帶上。裂紋源與前方油孔相距約10mm。斷口表面有較明顯的海灘標(biāo)記，表明該斷裂屬于疲勞斷裂。將斷口表面近似看作平面，估計(jì)疲勞區(qū)約占斷口總面積的60%，斷裂時(shí)裂紋深度約37mm，可見(jiàn)該斷裂應(yīng)力較高，或者材料韌性水平相對(duì)較低。
仔細(xì)觀察裂紋源區(qū)，其宏觀特性如圖4-2，表面較平坦，其尺寸在距表面2.5mm范圍內(nèi) （圖4-2中Ａ處）：在較平坦和光滑的表面上尚有三個(gè)小臺(tái)階，這可理解為在扭矩作用下形成的棘狀特征形貌，只是未得到充分發(fā)展。在裂紋源左側(cè)約5mm處（圖4-2中Ｂ點(diǎn)）有一局部靜斷特征區(qū)，其形貌特征為由表面向內(nèi)發(fā)散的放射花樣，深約7.5mm。在裂縫源右側(cè)有一局部區(qū)域（圖4-2中c處）斷口表面較粗糙，用放大鏡觀察可看到有暗灰色凸起或凹坑，推測(cè)為夾狀物折斷特征。
從斷口表面特征看，裂縫源周圍較平坦，說(shuō)明裂縫在連桿軸頸/曲柄圓角處開(kāi)始之后主要在彎曲應(yīng)力條件下擴(kuò)展，當(dāng)裂縫擴(kuò)展到一定少年度后，開(kāi)始形成棘狀特征花樣，表明此時(shí)，扭轉(zhuǎn)載荷裂縫擴(kuò)展已發(fā)揮可觀的影響。
軸頸表面磨損較嚴(yán)重，并有不同程度的焦油痕跡，這表明曲軸運(yùn)行時(shí)，潤(rùn)滑條件欠佳，曾經(jīng)短時(shí)過(guò)熱。側(cè)得曲柄厚度為23.7mm。在主軸頸表面打洛氏硬度，結(jié)果如圖4-3a；主軸頸徑向剖面硬度如圖4-3b，表明軸頸表面硬度分布不均勻，硬度值偏低。
用橡皮泥復(fù)制軸頸/曲柄圓角處的曲率，測(cè)的R值，并查得彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力集中系數(shù)：
連桿軸頸/曲柄：R=5.7 Ktb=2.1 Kts=1.65
主軸頸/曲柄： R=6.5 Ktb=2.1 Kts=1.65
斷口宏觀觀察表明，該曲軸斷裂屬于疲勞斷裂，該疲勞斷裂是在彎曲和扭轉(zhuǎn)聯(lián)合作用下發(fā)展的：批來(lái)初期，彎曲應(yīng)力對(duì)過(guò)程起控制作用，繼續(xù)扭轉(zhuǎn)對(duì)斷裂過(guò)程發(fā)揮重要影響；非金屬夾雜物對(duì)斷裂過(guò)程有重要影響；曲頸表面硬度不均勻，淬硬層分布不甚合理；工作過(guò)程中潤(rùn)滑條件較差。曲頸R部位應(yīng)力集中不嚴(yán)重。
4.1.2 裂縫源（裂縫形成與初期擴(kuò)展）分析
按疲勞斷裂機(jī)理和材料缺陷或加工缺陷的影響，裂縫可以再任何一應(yīng)力水平高于材料強(qiáng)度的局部地方形成，即形成裂縫能夠源。在彎曲或扭轉(zhuǎn)載荷作用下，裂縫源通常位于零件表面，表面不連續(xù)或者存在材料缺陷的地方。對(duì)圖4-2中a處進(jìn)行掃描電鏡觀察，其形貌如圖4-4，圖4-4上部即曲頸表面，圖中右上向下即為又曲頸表面向中心方向。可以看出在曲頸表面約0.3mm范圍內(nèi)，即裂縫開(kāi)始形成時(shí)，主要表現(xiàn)沿晶斷裂形式。因此可以理解為裂縫在疲勞應(yīng)力下形成，但靜載斷裂機(jī)制在其中扮演了非常重要的角色。仔細(xì)觀察，晶界污染非常嚴(yán)重，有大量非金屬夾雜物質(zhì)點(diǎn)沿晶界析出。
對(duì)圖4-2中B處觀察，斷口形貌如圖4-5a，可見(jiàn)斷裂面上遍布了非金屬夾雜物，這里斷裂阻力甚小，在向鄰區(qū)域（a處）已形成疲勞裂紋的情況下，由于應(yīng)力集中作用，只在疲勞應(yīng)力作用下，即可引發(fā)局部裂紋的迅速擴(kuò)展，形成前述的局部由表面向內(nèi)部的放射特征形貌。這也是軸頸硬度不均勻和裂紋形成壽命相當(dāng)短的原因所在。該區(qū)稍往內(nèi)偶爾也可觀察到疲勞特征，如圖4-5b，在微孔型
圖4-3 主軸頸硬度測(cè)試結(jié)果
沿晶斷裂基礎(chǔ)上，局部有明顯的疲勞條紋。
對(duì)圖4-2中c處觀察，斷口形貌如圖4-6；主要特征與前述a 處和b處大體相同。將該局部制成金相試樣，未經(jīng)侵蝕時(shí)的形態(tài)如圖4-6，可見(jiàn)有夾雜物尺寸較大，分布集中等特點(diǎn)；與ASTM標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)比得該夾雜物的級(jí)別為B，這些大尺寸的夾雜物折斷后，在斷口處將留下凸起或凹陷，無(wú)金屬光澤。
又裂紋源及其附近區(qū)域斷口的分析可知，曲軸材料中含有大量的非金屬夾雜物應(yīng)該對(duì)疲勞裂紋形成負(fù)責(zé)；大量非金屬夾雜物的存在嚴(yán)重降低了材料強(qiáng)度，導(dǎo)致在正常工作應(yīng)力下疲勞裂紋過(guò)早形成與擴(kuò)展；裂紋一旦形成，便構(gòu)成了新的應(yīng)力集中因數(shù)，對(duì)其周圍材料的斷裂發(fā)揮影響，導(dǎo)致裂紋的不斷發(fā)展在該曲軸中，由于裂紋源附近地區(qū)也含有大量密集的和大尺寸的非金屬夾雜物。材料強(qiáng)度、塑性和韌性受到嚴(yán)重影響，因此由裂紋源向其相鄰區(qū)域（如圖4-2中的b和c）的擴(kuò)展是快速的，主要表現(xiàn)為靜斷特性，裂紋源附近的斷裂順序（參見(jiàn)圖4-2）為首先裂紋源形成，其次向b和c 發(fā)展，A-B-C實(shí)現(xiàn)連聯(lián)之后，以此較大面積裂紋（即宏觀裂紋）為基礎(chǔ)，在曲軸疲勞應(yīng)力下繼續(xù)擴(kuò)展。
4.1.3 裂紋擴(kuò)展分析
對(duì)圖4-1油孔前方疲勞特征區(qū)（海灘花樣）掃描觀察，其形貌如圖4-7，顯示處夾雜物彌漫，二次開(kāi)裂嚴(yán)重，幾乎喪失金屬斷口特征，很象應(yīng)力腐蝕斷口上的泥裂花樣?？梢?jiàn)該軸由表面到心部都遭到非金屬夾雜物的嚴(yán)重污染。
將該斷口近視為平面斷口，其應(yīng)力強(qiáng)度因子一般表達(dá)式為：
式中F為自由表面影響系數(shù)，為第二類完全橢圓積分。
據(jù)Newman-Raju，對(duì)于拉伸和彎曲載荷，導(dǎo)出了包括裂紋深度，裂紋長(zhǎng)度，板厚即板寬等系數(shù)的F表達(dá)式：
查表得：
計(jì)算得：
將計(jì)算結(jié)果代入（4-1）：
根據(jù)Paris公式：
距文獻(xiàn)[15]，對(duì)淬火回火鋼的保守方程為：
由宏觀分析得：
計(jì)算得：
經(jīng)折合，曲軸工作約1.8hr。
從整體上說(shuō)，材料強(qiáng)度、塑性和韌性軍劇烈惡化從而導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展抗力幾乎完全喪失，這也是裂紋擴(kuò)展壽命很低的根本原因。
由于軸頸內(nèi)部被大量非金屬夾雜物污染，該斷口已喪失了調(diào)質(zhì)鋼疲勞斷口基本特征，因此已不具備調(diào)質(zhì)鋼的性能，疲勞抗力當(dāng)然也不例外。
4.1.4 靜斷區(qū)特征
對(duì)靜斷區(qū)掃描觀察，斷口形貌如圖4-8所示，a表示為嚴(yán)重的沿晶開(kāi)裂，幾無(wú)塑性可言。對(duì)某些晶界裂紋仔細(xì)觀察如圖4-8b，顯示出晶界熔化特征，因此可認(rèn)為該鋼鍛造時(shí)曾經(jīng)過(guò)燒。
4.2 討論
上述宏微觀檢驗(yàn)與分析表明該曲軸鋼鍛造時(shí)發(fā)生過(guò)燒。據(jù)文獻(xiàn)[18]，同一鋼種的電渣重熔鋼比電爐鋼的過(guò)熱溫度低，晶粒容易粗化。毛坯鍛造時(shí)，加熱溫度過(guò)高必然導(dǎo)致過(guò)熱和過(guò)燒；其后果為：一方面使晶界氧化，形成大量氧化物沿晶界分布，削弱了晶界結(jié)合力，成為在服役過(guò)程中沿晶界斷裂的原因；另一方面，在局部地方發(fā)生晶界熔化，成為層狀斷口或非金屬夾雜物斷口的原因；由于過(guò)熱過(guò)燒引起的冶金缺陷還使鋼材熱處理后硬度分布不均勻。
從金相分析看出該曲頸表面淬火層分布不盡合理，這當(dāng)然應(yīng)該歸因于熱處理工藝不合理。這種熱處理方面的缺陷當(dāng)然對(duì)斷裂有影響。但退一步講，即使熱處理工藝再完美，也不能使非金屬夾雜物具有鋼的性質(zhì)，也不能改變“層狀”夾雜物之類的冶金缺陷的分布形式。也就是說(shuō)，柴油機(jī)廠的種種泠熱加工，不可能把一個(gè)因冶金缺陷報(bào)廢的鍛件毛坯加工成性能合格的零件。由此不能不沉重的認(rèn)識(shí)到，如果能及早發(fā)現(xiàn)鍛件質(zhì)量問(wèn)題，予以報(bào)廢，便省去了機(jī)器制造廠的所有加工，以及以廢品充當(dāng)正品出廠給用戶造成的損失和因此造成產(chǎn)品信譽(yù)方面的影響。
MWM機(jī)型是我國(guó)近年來(lái)引進(jìn)的柴汕機(jī)系列產(chǎn)品，目前正處于技術(shù)消化和應(yīng)用推廣階段。在此過(guò)程中，因某些工藝環(huán)節(jié)尚存在不盡完善或不太合理的地方而影響產(chǎn)品質(zhì)量，導(dǎo)致個(gè)別零件早期失效是在所難免的。這屬于發(fā)展中的問(wèn)題，只需在實(shí)踐中不斷改進(jìn)，日臻完善。但該MWM_V12機(jī)因曲軸斷裂使整機(jī)壽命只有100小時(shí)，當(dāng)屬嚴(yán)重質(zhì)量事故．大約同時(shí)出廠的一批柴油機(jī)在使用中發(fā)生多起類似的斷軸事故。對(duì)此，若不查明原因，采取有效措施，該產(chǎn)品將喪失起碼的竟?fàn)幠芰Α?
4.3 本章小結(jié)
該曲軸材料因鍛造過(guò)燒而發(fā)生晶界氧化、熔化，形成大量非金屬夾雜物，削弱了晶界結(jié)合力，使得材料硬度分布不均，材料強(qiáng)度，塑性和韌性嚴(yán)重?fù)p失，從而裂紋容易形成，一旦形成便以很快的速度擴(kuò)展，導(dǎo)致曲軸的早期斷裂。
結(jié) 論
1、 MWM_V6柴油機(jī)曲軸斷裂的直接原因是鍛件過(guò)熱過(guò)燒造成的晶界氧化物和晶界開(kāi)裂；斷口為石狀斷口。曲軸熱處理工藝不規(guī)范、不完善，曲軸工作潤(rùn)滑條件不良加速了曲軸斷裂。
2、MWM_V12型柴油機(jī)曲軸早期斷裂歸因于曲軸材料，該曲軸材料因鍛造過(guò)燒而發(fā)生晶界氧化、熔化，形成大量非金屬夾雜物，削弱了晶界結(jié)合力，使得材料硬度分布不均，材料強(qiáng)度、塑性和韌性嚴(yán)重?fù)p失，從而裂紋容易形成，一旦形成便以很快的速度擴(kuò)展，導(dǎo)致曲軸的早期斷裂。
參考文獻(xiàn)
[1] 孫桓．機(jī)械原理（第6版）[M]．北京：高度教育出版社，2001:23-56頁(yè)
[2] 吳連生．《失效分析技術(shù)》[M] ．四川：四川科學(xué)技術(shù)出版社，2001：244-246頁(yè)
[3] 王大倫．《軸及緊固件的失效分析》[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988：102
[4] 楊峰．《Pro/ENGINEER中文野火版2.0教程--產(chǎn)品設(shè)計(jì)》[M]，北京：清華大學(xué)出版社，2005：108-122
[5] 虞和濟(jì)，侯廣琳．《故障診斷的專家系統(tǒng)》 [M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1991：3-5頁(yè)
[8] 吳連生．《從重大事故分析看失效分析和預(yù)防的重要性》[M]．上海：上海材料研究所失效分析文集．中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)，1993，314-318頁(yè)。
[9] 陳廣異，劉錫光．《曲軸疲勞破壞的失效分析》[M]．失效分析研討會(huì)論文集．1988，296-299頁(yè)。
[10] 潘登．《4125發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的失效分析》[M]．失效分析文集．北京：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)，1993，381-385頁(yè)。
[11] 馮德安．《165柴油機(jī)曲軸斷裂分析》[M]．北京：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)，1993，354-357頁(yè)。
[12] 陳士仁．《柴油機(jī)零件失效分析》[M]．北京：全國(guó)機(jī)電裝備失效分析預(yù)測(cè)預(yù)防戰(zhàn)略研討會(huì)論文集，下冊(cè)．1992，314-319頁(yè)。
[14] 沈如璞．《汽車曲軸、凸輪軸、軸承瓦座斷裂分析》[M]．失效分析文集．北京：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)，1993，327-333頁(yè)。
[15] 楊芳毓．《表面裂紋Ｋ1計(jì)算方法的研究與評(píng)價(jià)》[M]．北京：機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1985，NO.3，1-15頁(yè)。
[17] 徐紹禎．《空壓機(jī)曲軸斷裂失效分析》[M]．失效分析文集．北京：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)，1993，313-317頁(yè)。
[18] 陳南平．《機(jī)械零件失效分析》[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1988，285-289頁(yè)。
[19] 吳連生．《萬(wàn)噸級(jí)遠(yuǎn)洋輪主機(jī)曲軸斷裂失效分析》[M]．失效分析研討會(huì)論文集．1988：244-246頁(yè)。
[20] 郭秀文，栗復(fù)信等編著．《金相技術(shù)問(wèn)答》[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1987，359-360頁(yè)。
[21] 張棟．《機(jī)械失效的痕跡分析》[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1996，39-71頁(yè)。
[22] 鄭文龍．《金屬構(gòu)件斷裂分析與防護(hù)》[M]．上海：上海科技出版社，1980，100-155頁(yè)。
致 謝
本論文是在導(dǎo)師楊教授的悉心指導(dǎo)下完成的。楊教授以淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、摯著的敬業(yè)精神以及對(duì)本學(xué)科問(wèn)題敏銳的洞察力和準(zhǔn)確的判斷力使我受益匪淺，必將對(duì)我以后的工作和學(xué)習(xí)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在學(xué)習(xí)和生活中，楊老師也給予了最大的關(guān)心和照顧，楊老師寬厚的性格、寬容的人格、寬廣的胸襟以及對(duì)生活豁達(dá)的態(tài)度感染著身邊的每一個(gè)人，也值得我用一生去學(xué)習(xí)。恩師教誨，終生難忘！
我的親人在我的學(xué)習(xí)和生活中給了我無(wú)私的愛(ài)和最大的關(guān)懷，在我困惑的時(shí)候，他們給我鼓勵(lì)。我成長(zhǎng)過(guò)程中的每一點(diǎn)成功都離不開(kāi)他們對(duì)我的教導(dǎo)，只說(shuō)一句感謝怎能表達(dá)我對(duì)親人的感激之情。
在本論文的寫作過(guò)程中，參閱了大量的參考文獻(xiàn)，在此向各參考文獻(xiàn)的作者們致以崇高的謝意。
- 26 -