组合式凸轮轴断裂失效分析

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摘 要：通过化学成分、硬度检测、断口宏微观观察和能谱分析对外径31mm，壁厚5.5mm的钢管在发动机耐久试验过程中发生的断裂失效开展分析。结果表明，组合凸轮轴钢管失效模式为疲劳断裂，同时存在主裂纹源和次裂纹源主;化学成分不达标导致的钢管硬度偏低和钢管存在非金属夹杂物（硅酸盐）是引起疲劳断裂的内在因素。 

关键词：组合式凸轮轴;疲劳断裂;裂纹源;非金属夹杂物

1 引言

组合凸轮轴是近20年来开发的新型内燃机零件，适应了汽车工业轻量化、高性能、低排放和低成本的发展趋势[1-3]。目前，世界上越来越多的汽车制造厂家将装配式凸轮轴用于高性能发动机上，包括美国通用、福特，欧洲奔驰、宝马、大众、奥迪以及亚洲的现代、斯巴鲁等。因此，发展组合凸轮轴，突破国外技术垄断，实现组合凸轮轴的国产化，对促进我国自主汽车产业不断发展具有重要的现实意义。

组合式凸轮轴是将凸轮轴分成凸轮、芯轴、头尾端件及附件等若干个装配件，分别进行材料优化及精益加工，再通过特殊的装配工艺将各部件组装成凸轮轴。与传统凸轮轴相比，有如下优点[4-7]：①可减重25%-46%;②根据工况特点灵活选择材料，结构设计更加紧凑;③具有宽裕的设计自由度;④利用中空钢管，简化润滑油路;因此，国内各大汽车制造厂以及汽车零部件制造厂都在大力研发组合式凸轮轴。

组合式凸轮轴通常采用中空钢管作为芯轴，利用滚花、胀紧、热装等装配工艺将凸轮片固定在钢管上。钢管材料一般选择45#、E355、20Mn2等。某型号柴油机研发的组合式凸轮轴，采用材料为正火态的20Mn2中空钢管作为芯轴，钢管外径31mm，内径20mm，长度510mm。在发动机进行600小时耐久试验时，凸轮轴所用的钢管发生横向断裂，本文采用理化检验方法对断裂原因进行失效分析。

2 检验方法及结果分析

2.1 化学成分分析

采用德国OLEB型号公司1000-Ⅱ的直读光谱仪对材料化学成分进行分析，得到表1检测结果。从上述化学成分对比来看，断裂钢管的Mn、Cr含量与20Mn2钢管材料化学成分的要求不符，与20CrMnTi材料化学成分一致，因此，判定断裂钢管材料为20CrMnTi。钢管热处理状态为正火态，对失效钢管进行硬度检验，钢管平均硬度为15HRC，而抽检库房20Mn2钢管的平均硬度约为20HRC，20CrMnTi钢管硬度比20Mn2的钢管硬度要低33%。同时，委外检测20Mn2钢管和20CrMnTi钢管的拉伸强度，20Mn2钢管抗拉强度为793.8Mpa，20CrMnTi钢管抗拉强度为675.9Mpa，20CrMnTi钢管拉伸强度比20Mn2钢管抗拉强度低15%。

2.2 宏观断口检验

如图1所示为钢管断口，从图中可以发现，整个断面平坦、粗糙、呈金属色，为典型脆性断口。整个断面可以划分为三个区域：（1）疲劳断裂区，断口上呈现两个裂纹源，呈基本对称的180°分布，均起始于钢管外壁。形貌均为典型的海滩纹，疲劳断口延伸到管壁的一半厚度处;一处为主疲劳裂纹，另一处为次疲劳裂纹，见图1，疲劳源均为线源;（2）非疲劳扩展区，疲劳裂纹扩展到半管壁厚度时，裂纹开始向内壁辐射，主疲劳区裂纹扩展平稳，而次疲劳区裂纹扩展受阻，断口面粗糙;（3）瞬时断裂区，在主疲劳区右侧为瞬时断裂区，为最后的失稳断裂。

2.3 主裂纹源微观断口检验

主断裂源区断口试样在捷克TESCAN，型号Vega3-LMH的扫描电镜下观察如图2所示。从扫描照片可以看出主裂纹源疲劳表面存在明显的海滩纹，证明20Mn2钢管失效为疲劳失效。

图3a和图3b均为靠近主裂纹源附近表面的SEM照片，从两图中可看出，裂纹源区钢管表面不致密，存在类似疏松、孔洞的缺陷。将缺陷区域局部放大得到图3c，从图3c中可看出缺陷区域为疑似有非金属夹杂物存在。对疑似非金属夹杂物进行面扫描，进行化学成分分析。从元素面扫描可以看出，疑似夹杂物的化学成分主要为Ca>Si>Al>O，该物质为硅酸盐，为C类非金属夹杂物。

2.4 次裂纹源微观断口检验

次断裂源区疲劳形貌不是非常典型，是在主断裂区疲劳扩展过程中由于载荷的往复而形成，见图4，源区相对平滑，但是在非疲劳时扩展明显受阻，存在挤压痕迹，因为其受主断裂源约束。

3 分析与讨论

通过以上对20Mn2钢管断裂失效分析可知：（1）钢管材料与图纸不符，图纸规定材料为20Mn2，实际材料为20CrMnTi;（2）钢管硬度偏低，硬度只有HRC15，导致机械强度无法满足工况使用要求;（3）钢管断口存在明显的疲劳纹，同时存在主裂纹源和次裂纹源，判定钢管失效模式为疲劳断裂;（4）钢管存在非金属夹杂物（硅酸盐）以及其他缺陷是引起疲劳断裂的内在因素。

参考文献：

[1]王晓兰，余超，陸旭霞，郭愚，唐佳勇，许竹桃.钢坯吊运用20Mn2链条断裂失效分析[J].河北冶金，2018（09）：35-37+68.

[2]洪松.超高强度20Mn2Cr汽车用钢多相组织调控的实验研究[D].安徽工业大学，2018.

[3]王增利.宣钢20Mn2钢链环失效分析[J].中国金属通报，2017（07）：85+84.

[4]丰小冬，贺景春，井溢农.20Mn2无缝钢管角部裂纹质量分析与对策[J].包钢科技，2017，43（03）：42-45.

[5]卢素景.链条钢20Mn2A控冷工艺的优化[J].中国金属通报，2016（07）：87-88.

[6]宋学镜，阎保秋.关于正火改善20Mn2B钢组织与性能分析[J].金属加工（热加工），2016（13）：23-24.

[7]马骁驰，孙维连.热处理方式对20Mn2钢组织和性能的影响[J].材料热处理学报，2016，37（05）：168-171.

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