柴油机连杆断裂失效分析

1、失效分析柴油机连杆断裂失效分析叶明(武汉理工大学材料科学与工程学院武汉430070)摘要:本文通过对断口的宏观、微观分析确定了连杆的失效是由于应力集中引起的高周疲劳断裂,并通过对连杆材料的金相分析、成份分析和力学性能分析,讨论了热处理对连杆材料性能的影响。关键词:连杆;应力集中;疲劳断裂中图分类号:TG115.21;TG115.5文献标识码:B文章编号:1008-1690(2002)01-0046-03AnalysisontheFailureofDieselEngineConnectingRodYEMing(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,Wuh

2、an,Wuhan430070Abstract:Accordingtomocroscopicithasbeenprovedthatthefailureofthe-fractureresultedfromstressconcentration.Theeffectoftheofconnectingrodshasbeendiscussedthroughmetal2lographictestcompositionanalysisandmechanicalpropertiesdetectingontheconnectingrodmaterial.Keywords:connectingrod;stressc

3、oncentration;fatiguefracture1情况简介机的“捣缸”是由连杆断裂引起,现对连杆进行失效分析。2宏观断口分析一台485型柴油机运行约450小时后,机体、缸套破损,曲轴脱落。对该柴油机进行拆检后发现连杆及连杆螺栓均断裂,连杆和连杆螺栓材料均为40Cr。可以判定该柴油连杆及连杆螺栓断裂情况如图1所示。图1螺栓对接后的连杆(箭头所指处为连杆断口)图2连杆裂源示意图(裂纹源于箭头所指的“直角台阶”处)将断裂的连杆螺栓对接后发现:连杆螺栓明显变形且偏向连杆断口的对侧,螺栓断口为正断断口,且瞬时断裂区很大,说明断裂时应力较大,裂纹很快就失稳扩展。热处理2002年第17卷第1期46连

4、杆断口位于连杆与螺栓结合面处,该处结构如图2所示,存在一个“直角台阶”,其中,过渡圆角R=0.1,由于过渡圆角极小,连杆服役时该处应力集中倾向大,可能成为裂纹发源地。图3连杆断口图4SEM70裂纹源区形貌如图3所示连杆断口,裂纹源区并不明显,在“直角台阶”附近有许多台阶和放射状棱线,表现为多源疲劳特征,根据多源疲劳发生的一般规律可知连杆在工作时受到的交变载荷较高或应力集中较大3坦、光滑、致密,450小时,显然,连杆的断裂是在低应力下经历了时间的累积过程。因此,连杆的多源疲劳失效只可能是由于较大的应力集中引起的。在SEM下进一步观察“直角台阶”处,如图4所示,图中几乎看不见疲劳源区,裂纹扩展区与

5、“直角台阶”直接相连。在裂纹扩展区可以清晰地观察到一条条“脊”,这是由于不同平面疲劳源引发的裂纹扩展会合后形成的割阶,由此更进一步证明了连杆的失效是多源疲劳失效,那么,每一个疲劳源应位于相邻两条“脊”之间3貌,疲劳辉纹很不明显,这可能是由于以下原图5SEM1900断口扩展区形貌因造成:(1)由于不同平面的疲劳裂纹扩展会合后形成的“脊”分割了疲劳辉纹,使疲劳辉纹的分布很不规则,不易分辨。(2)连杆在工作时受拉-压载荷,其中压应力的存在会损伤疲劳辉纹1。(3)连杆材料的强度偏高,塑性偏低(这一点将在后面的力学性能分析和金相分析中予以证实),根据疲劳辉纹形成的塑性钝化模型,裂纹前端滑移较困难,使裂纹

6、尖端的变形较小,在扩展过程中不易形成新表面,从而使疲劳辉纹的形成较为困难。结合连杆所受载荷较低以及在应力集中作用下产生多个疲劳源的事实,可以判断这种疲劳失效属高周疲劳失效。4成份分析。另外,从图4下部也可以清晰地看到“直角台阶”处(图3中的光亮月牙区)粗糙的机械加工质量,这也是产生应力集中的一个重要原因。因此“,直角台阶”处成为先天的疲劳源。3微观断口分析对连杆断口附近的基体进行化学成份分析,结果如表1所示。断口的失效性质主要反映于断口的扩展区,如图5所示裂纹扩展区在SEM下的形热处理2002年第17卷第1期47表1连杆化学成份分析结果0.0350.035标准规定含量微组织为回火屈氏体,如图6

7、所示,按PSCr化学元素含量(%)CSiMnGB13320评定为4级,显微组织反映出该连杆回火温度偏低,使组织的强度增加,塑性降低4,这与前面力学性能分析的结果吻合。此外,对连杆螺栓的理化分析结果显示,连杆螺栓的断口显微组织正常,表面硬度、化学成份等各项指标也均符合要求。7结论经过对比可知,该连杆的化学成份符合GB3077-88标准规定,材质合格。5力学性能试验对连杆进行拉伸试验和硬度试验,结果如表2所示。表2连杆力学性能试验结果试验项目抗拉强度b(MPa)延伸率(%)试验结果99013通过以上的各项分析,得出如下结论:7.1连杆断裂的裂纹源位于连杆与螺栓结合硬度3234HRC或面的“直角台阶

8、”处,该处过渡圆角极小,机械加工质量粗糙,因而应力集中较为严重。7.2连杆所受应力并不大,而是在应力集中力学性能试验结果表明:该连杆具有较高的抗拉强度和硬度、相对较低的延伸率(塑性)。再从抽样的40Cr调质连杆来看,抗拉强度为8401000MPa,延伸率为16,250290HB(平均),该连杆的强度和硬度偏高,塑性偏低,从而韧性也偏低,由此推断:偏高的强度和硬度增加了连杆的缺口敏感性,降低了疲劳裂纹失稳扩展的门槛值,使裂纹易于扩展;同时,偏高的强度、硬度与偏低的塑韧性之间的匹配降低了连杆的断裂韧性,提高了裂纹扩展速率2。6金相分析,历经一定的3连杆的回火温度偏低造成连杆的强度、硬度偏高和塑韧性偏低。增加了连杆的缺口敏感性,降低了连杆抵抗裂纹扩展的能力,提高了裂纹扩展速率。7.4连杆断裂后,全部载荷作用于相对一侧的单个连杆螺栓,使其承受较大的弯曲应力而先变形后断裂,最终产生正断断口。8改进措施8.1采用精磨等方法增大“直角台阶”处的过渡圆角,改善圆角两边的机械加工质量。8.2在连杆的调质处理中提高回火温度。参考文献1上海交通大学金属断口分析编写组M金属断口分析,国防工业出版社,1979。2束德林金属力学性能,M,机械工业出版社,1987。3中国机械工程学会材料学会疲劳失效分析,