球墨铸铁失效分析，第三方盐雾试验
某球墨铸铁曲轴在全速全负荷台架试验中早期失效，曲轴瞬时断裂。本文主要通过对失效案例经低倍、高倍和电镜分析过程和结果进行论述，确定曲轴失效原因为感应加热不当，滚压槽被淬火。得出结论并制定改进措施，为行业内此类问题提供重要参考。
2019 年 2 月份，某汽车公司在进行台架试验 全速全负荷的情况下，运行到 65h，发动机突然 停机，拆机后发现曲轴第二连杆颈后端断裂。失效 曲轴如图 1、图 2 所示。
失效曲轴材质为 ，部分加工工艺为： 粗车连杆轴颈 + 精车沉割槽 + 轴颈感应淬火 + 沉 割槽滚压 + 精磨轴颈，轴颈圆角部位强化方式是 圆角沉割槽滚压。
低倍分析
失效曲轴断口的形貌显示了曲轴经受材料、运 行环境及承受载荷三要素综合作用的断裂过程和机 制，断口分析就是根据失效的曲轴断口上的种种特 征来判断曲轴运行过程中所承受的载荷、环境，再 结合曲轴材料的特性进行综合的分析，揭示材料的 断裂机理，终找出曲轴失效原因。
从图 2、图 3 来看，裂纹起源于连轴下止点颈 与滚压槽边沿交接的下方，裂纹基本沿与曲轴轴向 呈 45°夹角的方向扩展，后在另一侧圆角滚压槽 边沿处发生瞬时断裂。
对断口部位进行观察，断口部位裂纹源区、扩 展区、瞬断区特征分布明显，且裂纹源区无明显的 碰撞磨损痕迹，说明曲轴受力迅速断裂，断口照片见图 3 所示。对裂纹源区域放大 10 倍观察，发现 裂纹源区位于连杆颈与滚压槽边沿交接位置的下 方，距连杆轴颈表面大约有 4.4mm 左右。裂纹源 呈放射型花纹结构，向四周扩展棱线明显，整齐而 无明显的塑性变形，放射条纹收敛处为裂纹源，裂 纹源区域放大照片见图 4 所示。
图 1 中失 效曲轴第二连 杆轴颈颜色为 蓝黑色，且轴 颈存在大量的 拉伤痕迹，连 杆轴颈表面有 许多粘连的轴 瓦合金金属。 图 3 中断口近 似 1/3 以上面 积存在高温氧 化变色现象。 另外图 2 中红 色箭头指示部 位，连杆轴颈与滚压槽边沿交接位置存在明显的烧 熔变形现象，说明第二连杆轴颈在进行全速全负荷 台架试验时由于未知原因，存在抱瓦拉瓦现象，且 连杆轴径与轴瓦之间不是突然抱死，而是逐渐抱死， 期间伴随着拉瓦抱瓦的进行，产生大量热量，造成 连杆轴颈向断口内侧约占断口 1/3 以上面积产生高 温氧化，并终造成连杆轴颈与滚压槽交接位置轴 瓦和轴颈烧结熔化。
低倍分析可以得出曲轴断裂的大体过程。首先 由于未知原因连杆发生拉瓦现象，其次摩擦产生高温，然后连杆轴颈与滚压槽交接 位置轴瓦和轴颈烧结熔化抱死， 而曲轴由于惯性继续旋转，造成 轴颈圆角附近受弯曲和扭转应力 过大，应力在图 4 所示裂纹源位 置集中，后超过裂纹源处的疲 劳极限瞬时断裂。
电镜分析
依 据《GB/T17359—2012 微束分析能谱法定量分析》, 断 裂源区呈条纹状和解理特征，裂 纹扩展区也可见解理特征，疲劳 条带不明显但呈疲劳特征（图 5、 图 6）。
高倍分析
如图 7 所示，靠近裂纹源切 割金相试样，然后对所取金相试 样再与轴颈表面垂直的轴向剖面 进行粗磨精磨抛光制样检测。首 先检测石墨形态、球径大小及夹 杂物等缺陷，然后观察淬火层形 状，检测淬火组织和基体组织。
为方便分析金相试样组织特点， 把试样检测面分成四个区域，其 中裂纹源及附近区域为Ⅰ区，滚 压槽边沿且靠近裂纹源一侧区域 为Ⅱ区，远离裂纹源的另一侧滚 压槽边沿及附近区域为Ⅳ区，Ⅱ 区和Ⅳ区中间的连杆轴颈表面区 域为Ⅲ区，具体见图 8 红色箭头 指示区域。 依据《GB/T9441—2009 球 墨铸铁金相组织检验》对剖面 进行检测，检测设备为奥林巴斯 GX71 型金相显微镜。
Ⅰ区检测结果：从图 9 中可 以看出，石墨形态大部分呈球状， 少量呈团状，圆整度一般，石墨 球化级别为 2 级，球径大小 5 级。 裂纹源附近存在沿晶界分布的粗大棱角状显微疏松，尺寸大约为 0.25mm×0.17mm。显微疏松 易在铸件热节部位出现，分布在 后凝固的共晶团晶界处。
裂纹源及附近区域的Ⅰ区位 于曲轴连杆裆部连杆颈与曲柄间 的过渡圆角附近，属于热节部位。 当铸造生产时热节部位铁液缓慢 凝固，补缩通道又堵塞，就会在 枝晶间形成细小空洞，从而产生 疏松缺陷。连杆颈与曲柄间的过 渡圆角存在显微疏松缺陷，会破 坏基体金属的连接强度，成为促 进和诱发曲轴内部起裂的潜在疲 劳裂纹源。
Ⅱ区检测结果：从图 10 中 可以看出，铁水孕育效果好，石 墨圆整度好、数量多、分布均匀， 无缩孔等缺陷，石墨球化级别为 2 级，球径大小为 6 级。
Ⅲ区检测结果：Ⅲ区靠近Ⅱ 区一侧，石墨球化级别为 2 级， 球径大小为 6 级。Ⅲ区石墨形 态见图 11 所示，轴颈表面一 部分石墨形态表现为片状，垂直 轴颈表面往里及近表面部分球形石墨存在沿轴颈轴线方向变形现 象。石墨变形区从轴颈表面往心 部深度深达到 0.4mm 左右， 宽度基本达到连杆轴颈档宽的一 半，轴颈往里心部的石墨形态都 正常，为球形石墨。
Ⅳ区检测结果：轴颈表面石 墨形态表现为片状（图 12），片 状石墨延展方向与轴颈表面基本 平行，近表面部分石墨也存在变 形现象。由于受片状石墨形成的 尖角效应影响，沿片状石墨已经 生成许多细小裂纹，一部分裂 纹仍在延伸扩展，一部分轴颈表 面的金属已经与轴颈基体彻底分 开，造成滚压槽边沿及相邻连杆 轴颈表面凹凸不平。另外，从显 微镜下可以看出，Ⅲ区石墨的变 形是受Ⅳ区石墨变形区的影响， 是Ⅳ区石墨变形区的延续。
球墨铸铁曲轴感应淬火后， 轴颈淬火区和非淬火区之间还有 一段淬火过渡区域，淬火过渡区 表面应力表现为拉应力，会降低 疲劳强度，所以工艺设计和生产 时都特意控制淬火过渡区避开轴 颈与曲柄间的圆角处，从而使残 余拉应力远离轴颈圆角，即非淬 火区一般控制在 4 ～ 7mm。
金相试样腐蚀后首先观察连 杆轴颈淬火区形状。从图 8 中可 以明显看出，感应淬火区轮廓形 状为月牙形，淬火区两侧明显无 非淬火区，其中Ⅱ区裂纹源侧淬 火过渡区恰好在滚压槽及边沿， 而Ⅳ区滚压槽位置则被透热并 淬火。 淬火区长度与感应器有效线 圈宽度有关，淬火区轮廓形状与 矽钢片的分布有关。
从轴颈淬火 区形状可看出感应淬火工序存在 的问题：
，感应器有效线圈 过宽，造成加热区尺寸过长，轴 颈两侧无非淬火区；
第二，感应 淬火区两侧轮廓斜度太大，矽钢 片的分布有待优化。 圆 角 正 常 滚 压 时， 硬度 HRC60 一 65 的滚轮在圆角滚 压槽粗糙的软表面上滚动，滚压 槽表面上的各种金属凸起受到挤 压 , 并填充凹谷，获得较好粗糙 度，且达到机械强化的目的。
当 滚压槽被淬火后再滚压，滚压轮 会挤压、滑移甚至碾碎无塑性变 形能力，又脆又硬的淬火层，与 滚压槽相连的轴颈表面淬火层同 样受到挤压、滑移，这就导致滚 压槽边沿Ⅳ区石墨发生变形，且 沿变形石墨周围生成许多细小裂 纹。滚压后面的精磨轴颈工序由 于加工余量只有 0.20mm 左右， 消除不了石墨变形区和所有裂 纹，导致石墨变形区和部分裂纹 保留到台架试验。
依据《JB/T9205—2008 珠 光体球墨铸铁零件感应淬火金相检验》规范要求对淬火层组织进 行检测。发现淬火区组织由粗针 状淬火马氏体 + 白色残余奥氏体 + 石墨组成，是典型的二次淬火 组织（图 13）。
根据金相组织可以得出：伴 随着连杆轴径拉瓦抱瓦，摩擦产 生的高温让淬火组织重新奥氏 体化，同时石墨球周围的碳大量 溶于基体，基体含碳量升高，在 连杆轴承的激冷作用下生成高 碳马氏体，另外由于冷速太快， 大量奥氏体残留下来，成为残余 奥氏体。
综合分析
综合前面所有的分析，曲轴 断裂的过程为：感应淬火工序感 应器有效线圈宽度过大，造成加 热尺寸过长，Ⅳ区滚压槽被淬火； 随后在滚压工序，滚压槽及边沿 的组织被挤压、滑移甚至碾碎， Ⅳ区石墨变形的同时，沿变形石 墨周围生成细小裂纹。当进行全 速全负荷台架试验时，由于受力 及片状石墨尖角效应的影响，石 墨周围的裂纹扩展延伸，一部分 轴颈表面的金属脱落；脱落的金 属一方面造成轴颈和轴瓦表面拉 伤，另一方面造成轴瓦与轴颈之出现缺油现象，润滑不良导致轴 瓦和轴颈直接接触摩擦，摩擦生 成的高温，又导致轴颈重新奥氏 体化，并在轴承冷却作用发生二 次淬火，高温也终导致轴瓦和 轴颈烧结抱死。
与此同时，曲轴 由于惯性旋转，造成轴颈圆角附 近受弯曲和扭转应力过大，应力 在滚压槽边沿的疏松缺陷位置集 中，当应力超过疏松处的疲劳极 限，就促使疲劳裂纹的形成和快 速扩展，随后曲轴瞬时断裂。
结论
1. 淬火工序感应器有效线圈宽 度大，导致连杆轴颈淬火区过长， 一侧滚压槽被淬火；
2. 连杆轴颈表面的石墨变形是 在滚压工序产生；
3. 石墨变形形成的尖角效应造 成大量的微裂纹，在台架试验运行 过程中，连杆轴颈受力挤压后表面 部分与轴颈金属基体脱落，造成轴 颈拉伤，润滑不良，随后拉瓦抱死；
4. 曲轴轴颈拉瓦抱死，连杆轴 颈与滚压槽的交接过渡处次表面下 的显微疏松缺陷受力成为疲劳 源，当应力超过疲劳极限后曲轴 瞬时断裂。