输油船曲轴断裂原因分析
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作者:王吉会 李宝银 韩雅静 周福刚 王哲仁   出处:   分类:
浏 览 数:   发布时间:2011-07-31 14:28:35

摘要：测定了输油船断裂曲轴的化学成分、显微组织与力学性能，观察了断口的宏观和微观形貌，并从使用寿命、几何结构、材料以及扭振减振效果等方面对曲轴产生断裂的原因进行了综合分析。结果表明，曲轴的断裂是球墨铸铁组织、强度与塑性的不均匀及曲轴扭振减振器的缺陷而引起的疲劳断裂。 
关键词：曲轴；疲劳断裂；失效分析 
某输油船于1983年投入使用，其功率为1470kW、额定转速为825r/min。2002年4月在为油矿送料途中，左主机曲轴在曲拐处突然发生断裂，曲柄销脱落掉入油箱底，并砸坏缸套。该曲轴从投入使用到发生断裂，总运转时间约为49789h(约517年)，而曲轴的设计寿命为30年。为找出曲轴断裂原因，对曲轴断裂件的宏观和微观形貌、化学成分、显微组织、力学性能及配套扭振减振器的性能等进行了全面分析。 
1曲轴的断口形貌 
1.1宏观分析 
断裂发生在曲轴轴承轴径与连杆轴径相连接的曲拐过渡区域。断口为朝向连杆轴径方向的斜断口，其表面较光滑，且以断裂源为中心，呈现明显的疲劳条纹状扩展痕迹，如图1所示。经测量，曲轴的直径为<200mm，曲拐过渡区域的圆弧半径R为9175mm。对断口进行除油、除锈处理后，在裂纹源的过渡圆弧表面未发现明显的擦伤或腐蚀沟槽。 

图1曲轴断口的宏观形貌

1.2微观分析 
利用ESEMXL230扫描电子显微镜，对曲轴断口，尤其是断裂源附近的微观形貌进行了观察，如图2所示。由曲轴断口形貌可见，断口具有明显的疲劳条纹特征，见图2a，表明材料发生的是疲劳断裂；断裂源处的微观形貌与其它部位基本相同，未发现异常组织存在，见图2b。 

图2曲轴断口的微观形貌 
(a)疲劳条纹处(b)断裂源处

2材质分析 
2.1曲轴的化学成分 
从接近曲轴断口的部位多处取样，对化学成分进行了定性和定量分析，结果见表1。由化学成分判断该曲轴为铸铁件，且有害元素S、P的含量很低，但Cu、Ni、Mo等元素的含量相对较高，其作用是为促进石墨化和生成耐磨化合物的需要。 

2.2金相组织 
利用OlympusBX51M型金相显微镜，按照GB/T9441-1988《球墨铸铁金相检验》标准对曲轴不同部位的组织进行了观察、分级和评定[1]，结果如表2和图3所示。 

图3断裂曲轴的金相组织 
(a)断裂源处(b)断裂源附近(c)远离断裂源处(位置Ⅰ)(d)远离断裂源处(位置Ⅱ)

观察其金相组织，在曲轴试样中不存在磷共晶和游离的渗碳体；基体由95%左右的珠光体和少量铁素体组成，石墨大多以球状形式存在，说明曲轴为珠光体球墨铸铁件。从石墨的形态和球化效果看，断裂源处的球化效果很好，经金相检验评价为1级，见表2和图3a；但在断裂源附近、尤其是在远离断裂源的某些区域，试样中出现了蠕虫状或片状石墨，球化效果很不理想，被评为5级甚至更差，见图3b～3d和表2，不符合CB/T3408-1991《船用柴油机球墨铸铁曲轴技术条件》中球化等级为1～4级的技术要求[2]。 
据石墨大小、珠光体分级，除部分远离断裂源的区域(如图3d)外，曲轴件中石墨的大小均为5～7级、珠光体含量均为95%左右(如表2)，符合技术标准中石墨大小为5～8级、珠光体含量应>75%的要求[2]。 
3曲轴的力学性能 
从曲轴的配重部位取样，按力学性能测试的国家标准测定了曲轴件的拉伸力学性能、布氏硬度和冲击韧性[3]。 
曲轴试样的典型拉伸力学性能结果见表3所示。其中1号、3号和5号试样的抗拉强度、屈服强度分别都在790MPa、500MPa以上，伸长率也都≥610%。结合球墨铸铁的编号、金相组织(珠光体基体)、抗拉强度(>700MPa)、屈服强度(>490MPa)、伸长率(≮210%)、及随后的硬度测试(232～246HBW)，可推测出该铸铁件材料为QT700-2[2，4]；同时这些性能也符合CB/T3408-1991《船用柴油机球墨铸铁曲轴技术条件》和GB/T1348-1988《球墨铸铁件》中珠光体球墨铸铁QT700-2的力学性能要求(σb=700MPa、δ5=2%)[2，4]。但2号和4号试样的抗拉强度仅有351MPa、190MPa；伸长率也仅有316%、214%；且局部__拉伸断口呈黑色，表现出明显的铸造缺陷。而6号试样因试样表面和内部存在明显的铸造缺陷，在加工过程中就发生了破坏。 

曲轴的硬度值大多在232～246HBW之间，符合球墨铸铁件的技术标准[2，4]。但在曲轴件的某些部位，发现其硬度值仅有173HBW左右。 
曲轴材料的冲击韧度值有很大的分散性，从510J/cm2到1119J/cm2不等，平均值为715J/cm2。为揭示冲击韧度分散性的原因，对冲击试样断口的侧面进行了金相分析。发现当试样中的石墨呈球形、大小均匀时，其韧性值较高；而低的韧性值则对应着试样中石墨呈片状或蠕虫状，且石墨的大小极不均匀。 
4曲轴失效的综合分析 
4.1使用寿命 
曲轴断裂前，输油船的总运转时间为49789h。如按额定转速825r/min，曲轴断裂前的总疲劳循环次数应为: 
N=49789×60×825=2146×109次。 
而材料的疲劳极限，一般是在疲劳寿命为108或5×107次的条件下确定的[5]。因此可判定曲轴实际承受的交变应力小于材料的疲劳极限，曲轴的强度设计是合理的。 
4.2几何结构因素 
曲轴断口的断裂源，正好位于曲轴的轴承轴径与连杆轴径相连接的曲拐过渡区域。一方面，由于该区域在几何形状上的变化会引起应力集中；另一方面在曲轴运转的过程中，该部位受到曲拐传递给轴径的扭矩最大，因此极易在此区域产生应力集中，从而会在此部位诱发初始裂纹。 
4.3材料因素

从曲轴的金相组织与力学性能可见，曲轴材料应为QT70022珠光体球墨铸铁；曲轴材料的组织极不均匀，且在部分区域还存在明显的铸造缺陷，从而使曲轴不同部位的性能具有明显的差别。在曲轴运转的过程中，这种材料组织的缺陷和不均匀性，会使材料的变形不协调，从而过早地诱发裂纹，加速曲轴材料的疲劳断裂。 
4.4扭振减振效果 
对与该曲轴相配合的、原扭振减振器的减振效果进行了测试，发现与姊妹船及新扭振减振器相比，原扭振减振器的减振效果只达到规定标准的1/5，这显然不满足曲轴减振的要求。而这种扭振减振器的缺陷，也是曲轴发生早期疲劳断裂的原因之一；因不适当的减振效果，将会对曲轴产生额外的附加扭矩，从而加速裂纹的萌生和扩展，促使曲轴发生早期的失效破坏。 
5结论 
(1)曲轴断裂属于典型的疲劳断裂，裂纹源位于曲轴轴承轴径与连杆轴径相连接的曲拐过渡区域。 
(2)曲轴是由QT70022珠光体球墨铸铁制成的。在断裂源处，球墨铸铁材料的球化效果、石墨大小、组织均满足“船用柴油机球墨铸铁曲轴技术条件”规定的要求；但从整体看，曲轴件的组织很不均匀、且存在明显的铸造缺陷。 
(3)曲轴件组织、强度与塑性的不均匀性及曲轴扭振减振器的缺陷，是造成曲轴断裂的直接原因。(end)