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1、第6章 金属构件失效案例分析汽车发动机连杆断裂失效分析1 失效分析背景及对象 某轿车在投入使用6 个月后，在一次行驶途中，发动机连杆突然发生断裂，导致发动机缸体损坏。该连杆设计材质为U20702 钢（微合金化非调质钢），热锻成型。发动机是汽车的心脏，而连杆是发动机中关键的零件。发动机连杆断裂是一种比较常见的故障现象。本文在失效连杆上取样进行组织检验，分析了连杆的断裂原因。2 断口宏观观察连杆断裂部位在其大头与杆身的过渡区的杆部位置(见图1)，连杆断口呈灰白色，断口宏观形貌呈纤维状，具有韧性断口形貌特征。观察断口形貌可确定，断裂是从杆身断口面一侧边角部向另一侧边部辐射扩展开裂，最终导致完全断裂，
2、具体形貌见图2。3.断口扫描电镜微观观察将断口放入扫描电镜进一步观察，整个断口呈韧窝状微观形貌特征。断裂源区位于断口起始一侧边缘，局部区域出现贝壳纹状的弧状条带，具体位置及形貌见图3，瞬断区韧窝状微观形貌见图4。弧状条带所指弧心位置表明断口起裂于边部，并具有疲劳断裂形貌特征。图3 高倍图3 低倍4 化学成分分析对连杆的化学成分进行分析，结果见表1。可见其化学成分符合原设计GB/T 6991999优质碳素结构钢标准中U20702 材质的成分要求。（微合金化非调质钢）5 金相组织检验分析在连杆断口位置附近截取金相检验试样，结果表明夹杂物符合设计规定的纯净度要求，材料无明显的冶金缺陷。连杆试样的基体
3、组织为珠光体+网状铁素体+少量屈氏体，网状铁素体晶粒度为5 级，见图5。在试样组织边部起裂源位置发生明显的脱碳现象，总脱碳层深度约为0.12 mm，具体形貌见图6。组织中表面脱碳、屈氏体以及网状铁素体的存在，降低了连杆的疲劳性能。6 分析讨论失效连杆化学成分符合微合金化非调质钢。这种钢采用热成型后，通过控制冷却的方法，来获得细晶强化和析出强化的非调质(不经过淬火及高温回火热处理)组织:珠光体+铁素体，从而得到符合使用性能要求的材料。而失效连杆的显微组织为珠光体+网状铁素体+少量屈氏体及表面脱碳组织，这种组织造成连杆疲劳性能明显降低，形成零件本身质量的缺陷。另外，连杆基体中存在大量网状铁素体组织
4、，也会降低材料本身的强韧性，并在开裂过程中成为珠光体钢中裂纹易于扩展的通道，对连杆的最终断裂起到了加速作用。6 分析讨论为了防止连杆表面氧化脱碳，可在锻造时采用易于控制的快速加热方法(如感应加热)等措施，以便减少加热持续时间，降低连杆表面高温下与氧气的接触机率，从而减少表面局部氧化脱碳缺陷的产生。通过提高锻后冷却速度，减少了网状铁素体组织的产生，可以明显提高材料的力学性能。7 结论与建议 失效连杆的断裂属于疲劳断裂，组织表面存在氧化脱碳使其在受力时形成疲劳源，而其基体组织中网状铁素体的存在，降低了连杆的疲劳性能，加速裂纹的扩展，导致其最终断裂。建议减少高温加热时间，防止工艺参数的波动，避免零件产生表面局部氧化脱碳。同时，严格控制热处理制度，提高锻后冷却速度，尽可能减少网状铁素体及粗大组织的形成，会大大提高材料基体的强韧性能。谢谢大家！