发动机连杆断裂失效分析

一、概述

西菱动力送检断成几截的发动机连杆试样一件，送检人称：开裂件为C70S6铸件，在厂内试车期间发生断裂，送检方要求对开裂原因进行分析。

二、宏观检查

送检试样的拼凑外观见图1（送检方提供），在小头一端部分的断裂碎片磨损严重（在图5和图6d中明显的看到A和D碎片有较大的间隙）。收到的试样已经做过解剖，解剖后的试样见图2。图3为大头上的碰撞擦伤痕迹。说明连杆断裂后，大头也受到了碰撞挤压。图4为内壁铜衬垫的变形形貌，注意到铜衬垫对应于小头上的孔内壁的位置没有擦伤痕迹和断裂，这一位置正好位于连杆中轴线上。

图5为小头部位裂成的四块碎片。图中分别对四块碎片标注为A、B、C、D。图6a~d分别是四块断裂碎片的内壁形貌， A内壁上有一半区域存在均匀的擦伤痕迹，说明小头在这个位置受到了较大的摩擦挤压作用，而这一位置跟连杆的中轴线对应的部位基本重合（存在一定的偏心），说明连杆在使用过程中，受到了短时的冲击摩擦作用，对应的连杆的中轴线为压应力，结合前面图4的信息，可以判断在冲击的时候孔附近的内壁和铜衬垫之间出现了间隙，由此不仅说明连杆的压应力状态，也同时说明孔的位置不是首断位置。图7a~7c为B、C、D外壁的形貌。B和D两块的外壁都有碰伤痕迹。图8展示的B和D的侧面形貌可以看出，这两块碎片均有严重的塑形变形。B是向内壁侧弯曲，D是向外壁侧弯曲。说明B和D件都不是首断件。图9显示的A和D之间D上的断口形貌，图10显示的是A和B之间B上的断口形貌。断口均从外壁侧起裂（外壁上应为周向拉应力状态）。根据图6a中A的受力状态分析，在靠近D的一侧（内壁有擦伤痕迹的一侧），断裂位置是外表面是压应力，在靠近B的一侧（内壁光滑的一侧），断裂位置外表面是拉应力，因此，A也不是首断件。较后可以判断出C为小头上的首断件，图11和12断口为小头上的首断断口。

小头上C碎块的首断位置，不在连杆拉压应力的中轴线上，另外考虑连杆受到压应力冲击作用，而大头小头都是固定在轴上的，这一附加的压应力的来源只能为连杆断裂后变形后，连杆段的相对长度增加导致的挤压。因此可以得出初步的结论，连杆是首断件。

连杆的断裂部位的断口见图13~15。连杆的截面为工字梁结构，图13中箭头所示位置为人字纹收敛的位置（上翼缘板边缘中间），为断裂源，但断裂源已被损伤。白圈所示位置的侧面形貌见图14，显示有挤压变形产生的裂纹。图15为距断裂源10mm位置的下翼缘板中心的一处大型孔洞。孔洞上尖下大，开口一端下侧有严重的擦伤痕迹。

图2    收到的试样外观       图3    大头上的擦伤痕迹

图4    内圈侧铜垫圈的形貌           图5    小头的拼合貌

图6a    图5中A部分内壁的擦伤痕迹  图6b    图5中B部分内壁形貌

图6c    图5中C部分内壁的擦伤痕迹  图6d    图5中D部分内壁形貌

图7a                   图7b                   图7c

图7    图5中B、C、D三部分的外壁的碰伤痕迹

图8（a）                            图8（b）

图8    图5中B和D部分的侧面形貌

图9    A和D之间A上的断口    图10    A和B之间B上的断口

图11    小头上较初断裂的位置的断口形貌       图12    图11之局放大

图13    连杆上的断口形貌        图12    图14中圈示位置的侧面的裂纹

图15    图13下部的孔洞及侧面的擦伤痕迹

三、低倍分析

对连杆位置靠近断口的位置和远离断口的位置分别取样进行低倍检验（腐蚀剂为80°C的1:1盐酸水溶液。图16显示的靠近断口位置的低倍试样，残留的孔洞位于下翼缘板的中心部位，位于腹板偏析带的附近，下翼缘板的宽度要比上翼缘板宽一些，孔洞开口端有偏向照片左侧的流线。图17 显示的远离断口位置试样的低倍形貌显示上下翼缘板的宽度基本一致。

低倍显示，连杆断口截面由于挤压擦伤导致了下翼缘板的金属向翼缘板两端流动，下翼缘板的宽度增加，孔洞的开口端正好位于金属流线的起始位置。这说明孔洞的产生与挤压擦伤导致的金属流动有关。

图16  靠近断口位置的低倍试样         图17    远离断口位置的低倍试样

四、断口分析

将连杆上的断口试样超声波清洗后，置于扫描电镜下观察。断裂源形貌见图18，断裂源区域均为擦伤痕迹，无法根据断裂源确定断裂原因。在断裂源附近发现锻造自由面上有锻造缺陷。

图21为孔洞的低倍电镜形貌，断面上覆盖有大量的氧化产物，图22和23是孔洞周围的夹杂物和氧化产物能谱分析图。夹杂物较为**，断口氧化严重，还有油污污染（碳元素含量可知）。

图18    断裂源电镜形貌        图19    锻造自由面上的凹坑、裂纹

图20    锻造自由面上的金属折叠              图21    断裂面上的孔洞

图22   孔洞周围的夹杂物                 图23  孔洞周围的夹杂物

五、金相分析

由于连杆断口试样已经损坏，金相试样为低倍试样上制备。

在断裂源附近区域上翼缘板的边部，形貌见图18和19，有连续的脱碳层分布，深度约50μm，局部区域有锻造加工折叠缺陷。

检验面上的孔洞形貌及擦伤痕迹区域的裂纹形貌见图26~33，抛光态下孔洞附近未见肉眼可见的夹杂物分布，孔洞的一端尖一端张开的形貌与下翼缘板边缘由于擦伤导致的裂纹形貌一致，腐蚀态下，孔洞周围的金属流线垂直于孔洞边缘，孔洞开口端及延伸段的组织则完全呈纤维化的变形组织形貌。

图34为远离断口所取试样的基体组织，组织为珠光体+少量短条状铁素体。

图24    断裂源附近的边缘缺陷             图25    图24之放大

图26    下翼缘板中心的孔洞形貌   图27    下翼缘板擦伤痕上的孔洞和裂纹

     图28    孔洞及末端的变形组织    图29    孔洞附近的垂直于边缘的变形组织

图30    孔洞尖端垂直于边缘的变形组织  图31    孔洞开口端的流线及流线撕裂的小孔

图32   变形组织的形貌                 图33   图28的腐蚀态形貌

图34    远离断口位置所取试样的基体组织

四、化学成分分析

取样进行化学成分分析，分析结果及技术要求值见表1，结果说明材质符合技术要求。

表1    化学成分测试结果及技术要求值（wt%）

五、力学测试

取样测试材料的硬度，测试结果和技术要求值见表2，结果说明，连杆的硬度符合技术条件要求。

表2    力学布氏硬度测试结果及技术要求值

七、开裂原因分析

连杆上的断口为首断断口，其断裂源起源于锻件连杆外表面的锻造折叠缺陷，连杆往复运动过程中受到拉-压应力作用，发动机启动或者加速时，拉-压应力的骤然增大会导致锻造缺陷位置开裂，连杆在很短的时间内就发生破断。大头和小头端由于连杆断裂与发动机壳壁发生碰撞，出现擦伤和磨损，较后小头发生碎裂。

断口上发现的孔洞距离断裂源距离较大，位于偏析带附近和下翼缘板挤压擦伤区域。孔洞的形貌与挤压擦伤区域的裂纹近似，远离挤压擦伤区的一端尖锐，靠近挤压擦伤区的一端开口，且附近组织均为向翼缘板端头方向拉长的形貌。宏观断口上分析下翼缘板侧面有由于金属流动不畅导致的裂纹，低倍显示下翼缘板的金属向两端流动，孔洞的尾端有明显的金属变形，孔洞附近的变形组织的方向垂直于孔洞边缘，以上证据均说明孔洞的形成是偏析区附近的金属向翼缘板两侧流动产生的撕扯导致。

根据钢的生产工艺，钢锭为连续铸造，在铸机水平段进行分割，送轧机进行轧制成棒料。钢坯轧制挤压后可以将心部未焊合的裂纹和缩孔轧合，但这些位置还是会有夹杂物以及碳偏析分布。低倍检验发现腹板上有偏析带，偏析带对应于原始钢锭的心部，而低倍检验面上的孔洞并不在偏析带上。金相检验未在孔洞周围发现密集的夹杂物，但能谱测试结果显示，孔洞周围少量的夹杂物显示有P、Ca等杂质元素以及大量的氧元素和油污氧化残留的碳元素，这也说明孔洞不是原材料上的原始缺陷。

八、结论

1、送检试样的硬度和化学成分分析满足技术条件要求。金相组织为珠光体+少量的铁素体，未见明显的冶金缺陷分布。

2、首断断口为连杆部位断口，裂纹源位于连杆部位翼缘板表面的锻造缺陷。断裂应力来源于连杆传递的拉-压应力。

3、首断断口上的孔洞是连杆在断裂后，偏析区金属在挤压擦伤作用下撕裂产生。

4、发动机的启动引起的连杆传递的应力骤增，会导致连杆上的锻造缺陷位置发生开裂。连杆断裂后，大头和小头由于转动发生的碰撞，较后断成碎片。