圖 1 斷裂連桿的宏觀形貌
分享：某汽車發動機連桿斷裂原因
機械零部件多斷口的斷裂原因分析過程比較復雜，需要對碎塊上所有的斷口進行分析，并結合工況、受力等因素綜合分析，因此，應正確判斷首斷斷口或者主斷裂源的位置。例如，將變形最大的斷口認為是首斷斷口，可能會將原材料缺陷導致的斷裂判斷成過載導致的斷裂。
某汽車零部件廠C70S6鋼轎車用發動機連桿在廠內測試期間發生斷裂，斷裂連桿不僅從桿身處折斷，小頭孔還碎裂成了多塊，現場收集了全部碎片，對碎片進行分析，以確定連桿斷裂的原因。連桿是汽車發動機的重要組成部件，使用過程中，連桿在高速往復動作下，受到壓縮、拉伸等交變載荷作用。連桿出現破壞，會直接導致發動機停止工作，造成嚴重的事故。一般而言，連桿的斷裂模式有兩種，一種是連桿螺栓斷裂[1-2]，另一種是連桿桿身斷裂[3-6]。該斷裂連桿按照JB/T 11795—2014《內燃機脹斷連桿技術條件》要求進行制造，其加工工藝為：棒材截短→加熱→模鍛→加工兩端面→加工小頭孔→加工大頭孔→大頭孔漲斷→檢查。筆者采用一系列理化檢驗方法對該連桿的斷裂原因進行分析，以避免該類問題再次發生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
斷裂連桿的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：連桿上有兩處破壞，一處位于在小頭孔部位，小頭孔位置裂成4塊，分別編號為A、B、C和D，另一處位于連桿的桿部中間，該位置有明顯的縮頸現象，可以判斷連桿部位是因過載造成的斷裂，連桿桿部不是首斷位置。此外，連桿是活塞和曲軸之間傳遞力的構件，在連桿軸線上承受單向拉-壓應力作用。正常的運動過程中，連桿桿身部位只受到軸線上的拉-壓應力作用。這種情況下，連桿部位開裂所需的應力只能來源于不在軸線方向上的外加載荷。綜合上翼緣板受到的不均勻塑形變形和受力狀態進行分析，也可以判斷連桿桿部的斷裂時間晚于小頭孔。
試樣A內表面有一半區域存在均勻的擦傷痕跡（見圖2），該位置與連桿中軸線對應的部位重合，說明該位置受到較大的摩擦擠壓作用，摩擦時孔附近的內表面和銅襯墊處于部分接觸狀態，可判斷該位置不是首斷位置。試樣B和D均存在嚴重的塑形變形[見圖1（b）]，試樣B向內表面彎曲，試樣D向外表面彎曲，說明試樣B和D都不是首次斷裂件。試樣C斷口的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：試樣C斷面無縮頸現象，呈脆性斷裂形貌，因此初步判斷試樣C是首次斷裂件。
圖 2 試樣A內表面磨損痕跡的宏觀形貌
圖 3 試樣C斷口宏觀形貌
1.2 掃描電鏡（SEM）及能譜分析
將試樣C進行超聲清洗后，采用掃描電鏡觀察其斷口，結果如圖4所示。由圖4可知：斷裂源區較為平坦，有氧化層覆蓋，未覆蓋氧化層的局部區域呈解理斷口特征；撕裂棱線收斂于外壁皮層的夾雜物聚集區（斷裂源位置），起裂裂紋沿外壁皮層的夾雜物分布帶擴展。
圖 4 試樣C斷口SEM形貌
對夾雜物進行能譜分析，分析位置如圖4（b）所示，分析結果如表1所示。由表1可知：夾雜物含有Na、Al、Si、S、Cl、K、Ca等雜質元素。
Table 1. 夾雜物能譜分析結果
| 分析位置 | 質量分數 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | O | Na | Al | Si | S | Cl | K | Ca | Fe | |
| 位置1 | 48.85 | 36.05 | 0.60 | 0.27 | 0.81 | 0.59 | 2.40 | 0.40 | 0.87 | 9.17 |
| 位置2 | 45.89 | 38.63 | 2.35 | 0.32 | 0.70 | 0.28 | 0.31 | 1.16 | 0.53 | 9.83 |
| 位置3 | 47.77 | 34.37 | 1.42 | 0.58 | 4.61 | 0.72 | 0.35 | 1.11 | 2.20 | 6.86 |
1.3 金相檢驗
在試樣C斷口附近及遠離斷口處取樣，對試樣進行金相檢驗，結果如圖5所示。由圖5可知：斷口附近試樣的組織為珠光體+少量短條鐵素體，斷裂源附近存在樹枝狀裂紋，裂紋內部填充有大量灰白色的氧化鐵，裂紋附近的組織中存在大量網狀鐵素體，裂紋兩側的鐵素體區域還可見少量氧化質點，說明該部位經過了長期的高溫氧化過程，基體中的易氧化元素都已被氧化；遠離斷口處試樣的組織為珠光體+少量短條狀鐵素體，鐵素體體積分數為4.3%。滿足JB/T 11795—2014的標準要求（無網狀鐵素體和鐵素體體積分數不大于10%）。
圖 5 試樣C斷口附近和遠離斷口處顯微組織形貌
1.4 化學成分分析
按照GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法（常規法）》，采用直讀光譜儀對斷裂連桿進行化學成分分析，結果如表2所示。由表2可知：試樣的化學成分滿足JB/T 11795—2014對C70S6鋼的標準要求。
Table 2. 斷裂連桿的化學成分分析結果
| 項目 | 質量分數 | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Mn | Si | P | S | Cr | V | Al | Cu | Mo | Ni | |
| 測試值 | 0.71 | 0.55 | 0.19 | 0.038 | 0.061 | 0.12 | 0.032 | 0.005 | 0.13 | 0.025 | 0.051 |
| 標準值 | 0.67~0.73 | 0.40~0.70 | 0.15~0.25 | ≤0.045 | 0.05~0.07 | ≤0.20 | 0.03~0.05 | ≤0.01 | ≤0.20 | ≤0.05 | ≤0.02 |
1.5 硬度測試
按照GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，采用數顯布氏硬度計對斷裂連桿基體試樣進行布氏硬度測試，結果為295.1，294.6，297.5 HBW，符合JB/T 11795—2014的標準要求（250~320 HBW）。
2. 綜合分析
在機械零件斷裂事故中，先斷裂的斷口機械損傷和塑性變形小。當脆性斷口和塑性斷口同時存在時，表明機械結構已經失穩，導致零件發生過載斷裂[7]。
分析試樣A、B、C和D的變形情況，可知試樣C和D之間的斷口為首斷斷口，該處位置位于試樣C上的斷口幾乎沒有塑性變形，斷裂源在外表面皮下的夾雜物位置形核。試樣C和D裂開后，小頭孔內部的銅襯墊一側受力，另一側不受力，產生了滑動摩擦。試樣A內壁上僅有一半的摩擦痕跡，導致小頭孔發生碎裂，連桿桿身部位與發動機殼體產生碰撞，最終導致連桿桿身斷裂。連桿桿身存在嚴重的頸縮現象，因此可以判斷在小頭孔碎裂后，連桿失穩導致應力過大，最終造成連桿桿身發生過載斷裂。
試樣C斷口附近有樹枝狀裂紋，裂紋內部填充有大量的氧化鐵，擴展裂紋附近可見嚴重的氧化脫碳現象。綜合工藝分析，棒料的料頭部分存在表面缺陷，在模鍛之前的加熱保溫工藝過程中，這些缺陷經過了長時間的高溫作用，導致缺陷向基體內部擴展[8-9]。缺陷含有保護渣中的K和Ca等元素。
鋼廠連鑄階段所用的保護渣殘留[10]導致連桿小頭孔先發生斷裂，在長時間高溫條件下，裂紋不斷擴展，并發生氧化脫碳，造成小頭孔承載力不足，最終導致連桿桿身發生過載斷裂。
3. 結論
鋼廠連鑄階段的保護渣殘留在棒料表面，導致連桿小頭孔外表面皮層萌生微裂紋，發動機啟動造成連桿傳遞的應力變大，小頭端內圓側與活塞軸的接觸面壓力突然增大，最終導致連桿桿身發生過載斷裂。
文章來源——材料與測試網
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