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16V240柴油机钢曲轴断裂分析

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摘要：我厂生产的东风。B 型机车柴油机曲轴，由于在制造和使用过程中的种种不正常情况，曲轴发生了多起断裂事故，给我厂造成了经济上的损失，也影响了产品的信誉。本文旨在对曲轴的断裂原因进行综合分析，找出主要失效原因，提出防止类似事故发生的措施。

主题词：柴油机；曲轴；断裂分析；措施

1 引言

曲轴是内燃机车中的重要零件之一。它承受着由连杆传来的很大的燃气爆发力和整个曲柄连杆机构的惯性力。对曲轴来说，主要承受交变弯曲载荷和扭转载荷，在曲轴内将产生复杂的交变应力。同时，曲轴形状复杂，应力集中严重。此外，各轴颈在很高的比压下高速滑动，可引起表面磨损。因此，曲轴必须有足够的疲劳强度，连杆颈和主轴颈要有足够废铜的承压面及足够的硬合金线度和光洁度。如何使曲轴在运转中安全可靠，充分合理地利用材料的疲劳强度是十分重要的。

2 曲轴的材料及其工艺要求

2.1曲轴材料

我厂16V240曲轴采用42crMoA合金钢制造，全长3775mm，最大直径240mm,调质毛坯重约3t，产品结构如图1所示。

2.2曲轴生产工艺流程

毛坏→锻造→粗加工→调质→精加工→中频淬火→磨削→抛光→探伤→检查→成品。

2.3热处理工艺要求

曲轴热处理有调质和中频淬火两道工序。调质机械性能：ss≥637MPa，sb≥834MPa，d≥14%， y≥50%，ak≥58J/cm2。淬火介质为柴油。中频淬火要求主轴颈、连杆颈表面硬度≥48HRC，淬硬层深度3～5mm。淬火介质AQ251。

3与此同时 曲轴断裂形态分析

3.1曲轴断裂情况

1995年我厂240柴油机曲轴在运用中断裂位置及运行里程见下表。

从上表可以看出，曲轴断裂虽在不同连杆颈上，但断裂均呈倾斜的450方向，是一种常见的切断型断口。由于曲轴在生产过程中和在服役期间影响的因素很多，要找出其断裂原因有一定的难度，但是从破坏形式上分析，还是有一定规律的。

3.2材料组织对断轴的影响

检查知道，钢锭中心部位有一个偏析带，在其外部是无缺陷的合格晶带，如图2所示。

这个合格晶带正好处于曲轴的表面。生产曲轴时，先将钢锭轧制成一根圆棒料，然后对轴颈和曲柄进行成型锻造。若锻成的曲柄和轴颈直径误差太大，偏析将有可能出现在曲柄和轴颈的表面。这种材料偏析在热处理过程中是无法消除的，这会明显降低材料的疲劳强度。我厂调质淬火采用油淬，得到的组织为回火上贝氏体和铁素体。铁素体带易形成疲劳源。当这些组织缺陷位于曲轴圆角表面（或次表层）时，就会在该处萌生疲劳裂纹，引起曲轴疲劳断裂。

3.3曲轴疲劳断裂源

曲轴疲劳断裂均发生在拐臂两侧的圆角处。其圆角设计见图3。

该处是最薄弱的环节，疲劳源均产生在该处。因该处拉应力峰值最大，抵抗弯、扭矩的能力最小，所以在这个区域的表面和次表面存在内在缺陷（夹杂、内裂……将试样置于实验机的两夹具中等）和表面缺陷（加工刀痕、圆弧半径太小），或者因淬火带的分布对应力状态有不利影响时，将导致裂纹源的形成。若主轴颈圆角一侧加工不良，裂纹也会发生在主轴颈圆角过渡处的一侧，运用中就出现过这种情况。

3.4圆角加工不良引起的断轴

240曲轴断裂多发生在轴颈圆角处。若圆角处加工粗糙，圆弧衔接不好，圆弧半径太小，均会引起应力集中，导致曲轴早期疲劳断裂。返厂修的861号曲轴，断裂在第5固溶+时效连杆颈与曲柄臂衔接处，就是连杆颈与曲柄臂圆角过渡不好，有明显的加工缺陷之故。

4 防止曲轴断裂的措施

根据上述分析，为防止曲轴断裂，应采取以一下措施。

(1）加强对原材料及锻件材质的控制，特别是曲轴近表面偏析组织的控制。

(2）严格按图纸要求加工，保证加工质量。

(3）曲轴调质后，应着重提高其屈强比，而不是某一指标。

(4）提高曲轴轴颈感应加热淬火质量，并加强中频淬火前后的探伤检验。

(5）加强对用户的宣传，保证按正确的方法运用，及时进行维护保养，避免发生轻微的水锤或油锤。(end)

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