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發(fā)動機連桿失效分析

文檔作者：張進趙曉博陶世杰姜江張金芳徐景峰文檔來源： 1．山東大學材料科學與工程學院 2．濰柴動力股份公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月09日
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2010年第4期
2010年 8月
鑄造設備與工藝
FOUNDRY EQUIPMENT AND TECHNOLOGY
· 應用研究·
發(fā)動機連桿失效分析
張進 ．一，趙曉博 ，陶世杰 ，姜江 ，張金芳 ，徐景峰
(1．山東大學材料科學與工程學院， 東濟南250061；2．濰柴動力股份公司，山東濰坊261041)
摘要：根據(jù)253 kW(340馬力)的柴油發(fā)動機連桿發(fā)生失效斷裂的實際情況，采用宏觀斷口分析、微觀斷口
分析、金相組織及夾雜物的成分分析的試驗方法，對試樣的金相組織和斷口形貌進行分析，研究造成失效斷裂的
主要原因。同時采用Paris公式估測了失效連桿的疲勞壽命。分析結果表明發(fā)動機連桿生產(chǎn)制造過程中必須嚴格
控制鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量、尺寸和形態(tài)，夾雜物的等級應控制在1級以內；并且要制定合理的熱處理方案，
防止過深的脫碳。
關鍵詞：連桿；失效分析；非金屬夾雜；疲勞壽命；Paris公式
中圖分類號：TG144 文獻標識碼：A 文章編號：1674—6694(2010)04—0039-04
Failure Analysis of Engine Connecting Rod
ZHANG Jin1,2 ZHAO Xiao-bo ，TAO Shi ，JIANGjiang ，ZHANG Jin 2 XU Jing-feng
(1．Mmerials Science and En~needng School in Shandong University，Jinan Shandong 250061，China；
2．Weieh~Power CompanyLimited，We~angShandong 261041，China)
Abstract：Based on practical failure status of connecting rod on diesel engine of 340 horsepower，this article researches the main
causes through analyzing sample S metallographic elements and fracture surface with experimental method，such as macro—fracture
analysis，micro-fracture analysis，metallographic elements and inclusion compositions．At the same time it also estimates the fatigue
life of connecting rod using the Paris Equation．Analyzing result shows that：(1)nonmetallic inclusion should be very strictly controlled
within Class 1；(2)Heat treatment process should be suitable for preventing excess deearburizing．
Key words：connecting rod，failure analysis，non—metallic inclusion，fatigu e life，paris equation
連桿作為傳遞力的主要部件廣泛地應用于各類
動力機車上，是各類柴油機或汽油機的重要部件l1]。
發(fā)動機連桿的作用是將活塞的直線往復運動轉化
為曲軸的旋轉運動，實現(xiàn)發(fā)動機由化學能轉變?yōu)闄C
械能的輸出。發(fā)動機連桿連接活塞和曲軸，將活塞
承受氣體作用力傳給曲軸．使曲軸旋轉對外輸出動
力。工作時承受很高的周期性沖擊壓力、彎曲力和
慣性力，這就要求連桿應具有高的強度、韌性和疲
勞性能，連桿體的幾何結構有良好的結構剛度。同
時也因連桿是發(fā)動機重要的運動部件，而高速運動
產(chǎn)生的慣性力又要求結構輕巧，所以要求連桿在盡
可能輕巧的結構下保證足夠的剛度、強度和質量精
度。
碳素調質鋼和合金調質鋼是連桿用鋼的傳統(tǒng)
鋼種，通常小功率的發(fā)動機采用碳素調質鋼，大功
收稿日期：2010～06—12
作者簡介：張進(1982一)，男，山東濰坊人，工程師，從事熱處理技術
工作。
率的發(fā)動機采用合金調質鋼。碳素鋼中碳的質量分
數(shù)為：0．40％～0．55％ ；合金鋼主要添加的合金元素是
鉻、錳、鉬、硼等，可單獨添加或復合添加。一般碳素鋼
抗拉強度可達到800 MPa以上，沖擊韌度在6O J以
上；合金鋼調質鋼抗拉強度可達到900 MPa以上，沖
擊韌度在80 J以上，可滿足連桿的可靠性要求 。
對不同類型的連桿的破壞進行深入研究。綜合
起來可以得出，連桿的破壞可能出現(xiàn)在以下幾個部
位：桿身斷裂；連桿小頭斷裂；連桿大頭斷裂；連桿
蓋斷裂；連桿螺栓斷裂；“直角臺階”處的疲勞斷裂。
從以上的破壞部位可以看出，幾乎連桿所有部位都
有可能出現(xiàn)斷裂。但是從連桿破壞的大量實例來
看，無論是主副連桿，還是并列連桿，以其桿部的疲
勞斷裂居多
疲勞破壞的主要形式有：磨損、腐蝕和斷裂[3]。
車輛的零部件來說，由于磨損和腐蝕進程很慢。一
般可以通過定期更換或修理的辦法來解決．而斷裂
常常突然發(fā)生，常常導致災難性的車輛事故，所以
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Aug．2010 No4 鑄造設備與工藝 2010年第4期
斷裂破壞更為汽車研究人員所重視。造成斷裂事故
的原因是多樣的，如過載、低溫脆性、應力腐蝕和疲
勞等[4]。在實際工況中曲柄連桿機構承受活塞傳遞
的多種周期性爆發(fā)壓力的交變載荷和曲軸飛輪組
傳遞的阻力矩的共同作用[5]。要求曲柄連桿機構具
有高度的可靠性和安全性。通過失效分析可以吸取
設計中的經(jīng)驗教訓，設計中的失誤，完善設計內容，
創(chuàng)造出新的設計方法，從而促進設計水平的提高。
1． 試驗內容和分析方法
1．1 試樣材料及加工工藝
1．1．1 試樣
本文主要研究客車柴油發(fā)動機連桿失效分析，
試樣取自使用25個月后斷裂的發(fā)動機連桿．所用
材料40Cr，失效件為六缸發(fā)動機的第六根連桿，化
學成分要求如表1所示。
表1 40Cr連桿的化學成分(質量成分，％)
c f si f Mn f Cr l S P
0．4o～0．42 f 0．22～0．23 f 0．62～0．66 l 0．80～1．10 f 0．01—0．03 O．o07一O．0o8
1．1．2 連桿加工工藝
原材料一斷料一鍛造坯料一精模鍛～調質處
理～噴丸一硬度及表面檢查一矯正一精壓—探
傷～精加工一成品
I．2 試樣檢驗與分析 、
1．2．1 宏觀斷口分析
具體取樣位置見示意圖1。連桿桿身斷裂成兩
部分．同時可以看出桿部有明顯的扭曲塑性變形
在裂紋源區(qū)的起始部位上有大量形狀不規(guī)則
的夾雜物。隨著裂紋源的擴展。裂紋形貌逐漸變?yōu)?
b1
圖4 裂紋源區(qū)的夾雜物分布
小平面、撕裂棱及韌窩和夾雜物組成的準解理斷
裂，并有大量的二次裂紋。由圖4e)可見，初始裂紋
可以認為是由9個連續(xù)的夾雜物連接組成的，測得
初始裂紋的長度為0．5 mm
1．2．3 斷口裂紋源區(qū)和金相檢測分析
對斷口處進行試樣元素檢測，發(fā)現(xiàn)S、Mn、Si、A1
等元素含量很高，雜質多為A類或B類夾雜物，還
有少量爐渣(圖5、圖6、圖7)。
一霸隔 圖5 夾雜物MnS檢測圖像
一■
蒸■●一
凸)?？煽闯鰯郪1分成兩個區(qū)，裂紋擴展區(qū)和斷裂
區(qū) 在擴展區(qū)的某些區(qū)域可觀察到類似疲勞的花
樣。由弧線的彎曲方向，可知裂紋源的位置。
1．2．2 微觀斷口和金相組織檢測分析
在斷裂部位進行掃描電鏡觀察，如圖4所示，
在裂紋源區(qū)斷面的主要形貌由韌窩和夾雜物組成。
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圖7 夾雜物爐渣檢測圖像
從圖8可以看出．組織主要為細片狀的屈氏體
和沿晶分布的網(wǎng)狀鐵素體，顯然．這種組織是在調
質淬火過程中由于冷卻不足所造成的，這種組織的
強度應該在500 MPa左右．勉強可以滿足連桿最低
的工作強度。但在邊緣處出現(xiàn)的大約0．15 mm貧碳
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2010年第4期 張進，趙曉博，陶世杰，姜江，張金芳，徐景峰：發(fā)動機連桿失效分析 設備與工藝
圖8 斷口下側金相組織圖
層，強度大約為200 MPa，低于連桿的疲勞強度。連
桿中調質組織的片狀屈氏體，和邊緣處的貧碳層為
連桿過早的發(fā)生塑性變形提供了組織上的有利條
件；邊界上的夾雜物阻止塑性變形，產(chǎn)生位錯塞積
形成應力集中區(qū)，為顯微裂紋的形成提供了有利條
件。
2 疲勞壽命計算
2．1 連桿受力分析
工作中的發(fā)動機。其曲柄連桿機構中承受著氣
體對活塞的壓力、往復或旋轉運動質量的自重和慣
性力、外部負荷對發(fā)動機的反作用力、運動副間的
摩擦阻力等。在動力學分析中，一般將各運動部件
的自重和運動副之間的摩擦阻力忽略不計，主要分
析氣體爆發(fā)壓力和慣性。
力在曲柄連桿機構中的作用情況。連桿的計算
載荷主要指通過連桿作用于連桿頸上的燃燒室氣
體壓力與曲柄連桿機構的慣性力：包括活塞組作往
復運動產(chǎn)生的慣性力、曲軸的不平衡質量作旋轉運
動產(chǎn)生的慣性力和連桿組作復合平面運動產(chǎn)生的
慣性力，其他則忽略不計[6]。
連桿的運動為隨活塞平移的牽連運動和繞活
塞銷轉動的相對運動的復合。這兩種運動是變速運
動。因此連桿的慣性力有4種。
1)連桿組隨活塞作往復運動而產(chǎn)生的往復慣
性力，其方向平行于氣缸中心線，且與活塞加速度
方向相反。
2)連桿組繞活塞銷中心轉動的向心加速度而
產(chǎn)生的離心慣性力，它通過連桿組質心且總順著由
連桿小頭中心到質心的離心方向。
3)連桿組繞活塞銷中心轉動的切相加速度產(chǎn)生
的慣性力，它作用于連桿質心且垂直于連桿軸線。
4)連桿變速旋轉的角加速度產(chǎn)生的慣性力矩。
綜合以上4種慣性力。可經(jīng)由計算得出因發(fā)動機啟
動或停止，連桿所受的最大合成慣性力為261 MPa。
2．2 斷裂疲勞壽命
從疲勞宏觀斷口分析可知．疲勞過程是由裂紋
萌生、亞穩(wěn)擴展及最后失穩(wěn)擴展所組成的。其中裂
紋亞穩(wěn)擴展占有很大的比例．是決定整個疲勞壽命
的重要組成部分。對于含有原始裂紋或缺陷的實際
機件來說，裂紋亞穩(wěn)擴展更為重要。
本文試樣裂紋采用近似公式計算試樣裂紋長
度與裂紋厚度之rE<0．5，為表面淺裂紋，當表面裂紋
為0．5 mm時，計算得裂紋臨界尺寸約為42．88 mm。
不考慮鍛件材質的不均勻性、介質、溫度波動
及工作應力對疲勞擴展的影響。按照每天平均發(fā)動
機啟動l0次，采用Paris公式計算疲勞壽命約為
3．34 a，試樣實際使用時限為2．08 a與計算結果基
本吻合。
3 連桿失效分析與討論
3．1 連桿失效分析
整個斷口分為斷裂源區(qū)、裂紋擴展區(qū)及最后瞬
斷區(qū)。裂紋源區(qū)在軸頸圓角面的小曲面上，斷口邊
緣較為鋒利，擴展區(qū)較大，呈現(xiàn)貝殼狀擴展花樣，瞬
斷區(qū)域較小并呈纖維狀斷口形貌，整個斷口表現(xiàn)為
低應力作用下的彎曲疲勞斷裂。裂紋萌生后的亞穩(wěn)
擴展較慢，擴展區(qū)也較大．從裂紋的形成到裂紋的
失穩(wěn)擴展經(jīng)歷了一定的時問．這與客車的實際運行
里程也比較吻合。
從微觀看．連桿斷口試樣經(jīng)拋光腐蝕清洗后，
在電子顯微鏡上進行掃描，明顯可見大量形狀不規(guī)
則的夾雜物，而疲勞起始裂紋就產(chǎn)生在夾雜之中，
(如圖5～圖7)。隨著裂紋源的擴展，裂紋形貌逐漸
變?yōu)樾∑矫?、撕裂棱及韌窩和夾雜物組成的準解理
斷裂，并有大量的二次裂紋。由此可以斷定其裂源
出大量的非金屬夾雜嚴重的影響了連桿的疲勞強
度，正是因這些夾雜物造成連桿疲勞斷裂。
對裂紋處的試樣使用EDS。分析出主要元素為
s、Mn、Si、A1、0等。雖然連桿材料中的硫的成分符
合相關要求，但在微觀上，由于硫固溶度有限，易與
Mn形成MnS硫化物夾雜，且易在晶界處偏聚。從金
相、掃描電鏡及能譜分析結果中發(fā)現(xiàn)，斷口試樣中存
在數(shù)量較多的A類夾雜物，如長條狀的MnS，呈淺灰
色。在疲勞斷口中存在二次沿晶裂紋(圖8)，這是由
于長條狀的MnS夾雜偏聚于基體的界面處．疲勞次
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Aug．2010 №4 鑄造設備與工藝 2010年第4期
生裂紋易于沿材料夾雜物的方向擴展的結果。
試樣斷口處還存在大量的B類夾雜物，因夾雜
物本身與基體材料在熱膨脹系數(shù)和硬度方面的差
異。在夾雜物周圍集中了較大的熱應力和殘余應力
(試樣的磨制和拋光過程產(chǎn)生的)，再加上夾雜本身
較脆。循環(huán)加載初期，集中的應力得以釋放而導致
裂紋的萌生。由于應力在夾雜物的尖角處集中，當
達到一定程度時．相鄰晶粒內某些取向有利的滑移
系開始啟動，晶粒內部產(chǎn)生不均勻塑性變形，并伴
有駐留滑移帶出現(xiàn)。隨著損傷的不斷積累，開始形
成微裂紋，該裂紋沿一定的滑移系不斷擴展，最終
成為導致基體材料斷裂的主裂紋。
另外，在連桿的邊緣處也出現(xiàn)不同程度的貧碳
現(xiàn)象(如圖8)，貧碳層強度下降，在外力的作用下首
先發(fā)生塑性變形，位錯運動遇到障礙物受阻時，產(chǎn)
生位錯塞積。位錯塞積形成高應力區(qū)，當應力超過
臨界值時，則形成微裂紋。
3．2 討論
一般來講。非金屬夾雜物能夠誘發(fā)鋼中疲勞裂
紋一般有兩種方式。一種是第二相、夾雜物本身開
裂的疲勞裂紋萌生機理；二是零件在服役過程中夾
雜物不能傳遞鋼基體中存在的應力，在夾雜物周圍
可達到臨界的峰值應力，夾雜物對裂紋的形成就有
直接形核的效果。本課題所研究的發(fā)動機連桿，由
于連桿裂源處存在大量非金屬夾雜物，連桿在長期
的交變應力作用下，大量夾雜物不能傳遞交變應
力，當此處夾雜物周圍達到臨界的峰值應力，裂紋
就在此處成核形成，裂紋源就此產(chǎn)生。連桿在持續(xù)
交變應力的作用下，從裂紋源不斷擴展，當裂紋擴
展到一定程度時．連桿承受載荷的有效截面迅速減
小，在某一時刻，有效截面難以承受交變應力時，即
發(fā)生瞬間斷裂。這種裂紋形成形式可以用微孔形核
長大模型表示[ 。
微孑L聚集延性斷裂，其本質為材料所含第二相
粒子誘發(fā)空穴形核、長大及聚集直到與宏觀裂紋連
接導致最終斷裂的過程，主要影響因素為顯微組織
和夾雜物特征，降低第二相或夾雜物脆性，提高相
界強度?？刂频诙嗷驃A雜物的數(shù)量、形態(tài)、大小和
分布．提高疲勞強度，延長材料的疲勞壽命。
但是一味減少夾雜物的數(shù)量，控制夾雜物的大
小和分布，將大幅度提高材料的采購成本。根據(jù)計
算表明，初始裂紋的尺寸對疲勞壽命的影響顯著，
當初始裂紋減小到0-3 mm時，裂紋的疲勞壽命已
達到7 a，減小到0．2 mm時的壽命則達到9年零4
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個月，如果初始裂紋只有O．1 mm時，連桿的使用壽
命可達18 a 8個月。因此，控制非金屬夾雜物級別
小于一級，即可滿足連桿疲勞壽命為lO a的安全工
作年限。
4 結論
1)當材料中有大量的夾雜物時，由于夾雜物本
身與基體材料差異，在夾雜物周圍集中了較大應
力，循環(huán)加載初期。集中的應力得以釋放而導致裂
紋的萌生，并在夾雜物的尖角處集中，當達到一定
程度時，晶粒內部產(chǎn)生不均勻塑性變形。隨著損傷
的不斷積累，開始形成微裂紋，裂紋沿一定的滑移
系不斷擴展．最終成為導致基體材料斷裂的主裂
紋。研究結果表明，當初始裂紋控制在0．3 mm長度
內時，連桿的使用壽命就可以達到要求，根據(jù)GB／T
10561—2005／ISO 4967：1998(E)得出。夾雜物的綜合
等級應控制在1級以內。
2)材料組織為片狀的屈氏體和沿晶分布的網(wǎng)
狀鐵素體以及邊緣處不同程度的貧碳．貧碳層厚度
約為0．15 mm，因貧碳層的強度下降(200 MPa)，在
外力的作用下首先發(fā)生塑性變形，位錯運動遇到障
礙物受阻時，產(chǎn)生位錯塞積。位錯塞積形成高應力
區(qū)，當應力超過臨界值時。則形成微裂紋。
3)建議：①加工前對材料進行嚴格的金相檢
驗，采用超聲探傷，避免刀痕、擦傷、裂痕等表面缺
陷，提高材質表面質量；②選用夾雜物較少的鋼材，
以減少夾雜物對零件力學性能的影響；③制定正確
的熱加工工藝．防止和減少連桿在鍛造和熱處理過
程中的氧化脫碳。
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