某曲轴在服役过程中发生开裂现象，研究人员采用宏观观察、化学成分分析、力学性能测试、微观分析等方法对某开裂曲轴进行分析，以防止该类问题再次发生。

1、理化检验

1.1 宏观观察

       曲轴宏观形貌如图1所示。由图1可知：其中一节轴表面存在裂纹。

      截取的开裂处试样宏观形貌如图2所示。由图2可知：曲轴表面存在明显的环向磨损痕迹，部分区域发黑[见图2a)]，分析认为该区域是由摩擦高温导致的；裂纹面整体较为洁净，未见异物覆盖，裂纹面上可见疲劳条带，呈疲劳断裂的宏观形貌特征，疲劳条带的收敛位置为裂纹源区，说明裂纹起源于曲轴表面。

1.2 化学成分分析

      在曲轴基体处取样,并对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。

1.3 力学性能测试

      在曲轴基体1/2半径位置截取纵向拉伸试样、冲击试样和硬度试样,并对试样进行测试，结果如表2所示。

1.4 微观分析

      在断口上截取试样,将试样清洗后，对试样进行扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析，结果如图3所示。由图3可知：裂纹源区铜、锡、铅等杂质元素含量较高；裂纹扩展区可见大致平行的二次裂纹，呈疲劳断裂的微观形貌特征。

      截取裂纹源区的剖面，制备金相试样，将试样镶嵌、磨抛后，置于光学显微镜上观察，结果如图4所示。由图4可知：裂纹源区覆盖着一层其他物质；主裂纹附近表面可见较多与主裂纹平行的微裂纹，放大观察可见裂纹内有铜黄色物质填充。

      对剖面金相试样进行能谱分析，结果如图5所示。由图5可知：主裂纹面上的覆盖物与微裂纹内的填充物成分均为较高含量的铜、锡、铅元素中的一种或者几种，分析认为这些物质来源于与曲轴开裂位置配合的铜合金轴瓦。

      将剖面金相试样用化学试剂腐蚀，再将其置于光学显微镜下观察，结果如图6所示。由图6可知：试样表面和心部显微组织均为回火索氏体。

1.5 显微硬度测试

     采用2.942N试验力对试样表面与心部进行维氏硬度测试，表面硬度分别为385，380，384HV，相当于40.3，39.9，40.3HRC；心部硬度分别为266，273，275HV，相当于27.9，28.0，28.3HRC。由硬度测试结果可知，心部硬度符合正常回火索氏体的硬度，表面的硬度偏高。

2、综合分析

     (1)人工打开的裂纹面经清洗后整体较为洁净，未见异物覆盖，裂纹面可见疲劳条带，呈疲劳断裂的宏观形貌特征，疲劳条带的收敛位置为裂纹源区，说明裂纹起源于曲轴表面。

     (2)裂纹源区的能谱分析结果表明：裂纹源区有较高含量的铜、锡、铅等杂质元素；裂纹的扩展方式为疲劳扩展。

     (3)主裂纹的裂纹源区覆盖有铜黄色物质层，附近表面可见较多与主裂纹平行的微裂纹，微裂纹附近存在疏松状的孔洞，这些微裂纹与孔洞内均可见铜黄色物质，经能谱分析可知该物质中含有铜、锡、铅中的一种或者几种元素，并且含量较高；腐蚀后金相试样表面与心部组织存在明显区别，经显微硬度测试可知表面硬度偏高。

     (4)综合分析认为，曲轴在使用过程中发生润滑不良，导致其与铜合金轴瓦之间发生摩擦现象，摩擦产生的高温使曲轴表面发生相变，导致硬度升高。由于铜的熔点较低，铜板局部熔化，液相铜沿着奥氏体晶界向曲轴基体内渗透，在曲轴表面形成较多填充有铜合金组成物的微裂纹，随后这些微裂纹在曲轴继续运转的工作应力作用下以疲劳方式扩展，导致曲轴开裂。

3、结论与建议

      (1)曲轴与铜合金轴瓦之间的摩擦高温导致异种金属渗入，在曲轴表面形成较多填充有铜合金组成物的微裂纹，随后这些微裂纹在曲轴继续运转的工作应力作用下以疲劳方式扩展，导致曲轴开裂。

      (2)加强对曲轴润滑情况的监测，以避免曲轴在润滑不良的情况下继续运作。

作者：吕渊

单位：上海材料研究所

来源：《理化检验-物理分册》2024年第4期