胡 鵬,江仲佶,祁學軍
(神龍汽車有限公司,武漢 ４３００５６)
摘 要:某汽油發(fā)動機氣門彈簧在臺架試驗中發(fā)生了早期斷裂失效.采用斷口觀察和分析、化學成分分析、金相檢驗、硬度測試等方法,對氣門彈簧斷裂的原因進行了分析.結果表明:氣門彈簧斷裂的性質為疲勞斷裂,氣門彈簧斷裂的原因為表面存在磨損,導致彈簧的疲勞強度和疲勞壽命下降.
關鍵詞:氣門彈簧;磨損;疲勞斷裂
中圖分類號:TG１１５．２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０７Ｇ０５０７Ｇ０３
FractureFailureAnalysisofaValveSpringoftheGasolineEngine
HUPeng,JIANGZhongji,QIXuejun
(DongfengPeugeotCitroenAutomobileCo．,Ltd．,Wuhan４３００５６,China)
Abstract:TheearlyfracturefailureoccurredtoavalvespringofthegasolineengineduringthebenchtestThefailurereasonsofthevalvespring。 wereanalyzedbymeansoffractureobservationandanalysis,chemicalcompositionanalysis,metallographicexamination and hardnesstesting．Theresultsshow that:thefracture。
mechanismofthevalvespringwasfatiguefracture;thefracturereasonofthevalvespringwasthattheabrasionexistedonthesurfaceandreducedthefatiguestrengthandthefatiguelifeofthevalvespring．
Keywords:valvespring;abrasion;fatiguefracture
氣門彈簧是發(fā)動機配氣系統(tǒng)中的一個關鍵零件,其作用是保證氣門座與氣門的氣密性,吸收氣門在開啟和關閉過程中傳動零件所產生的慣性力.因此,氣門彈簧的性能直接影響著發(fā)動機的運行安全及效率[１].
山東 某 公 司 生 產 的 發(fā) 動 機 氣 門 彈 簧 材 料 為OTEVA７５超純凈彈簧鋼,經過繞簧、熱處理、磨簧、噴丸等工藝處理后,裝入發(fā)動機進行臺架試驗.試驗進行到第４６８h時(要求進行５００h耐久試驗),發(fā)動機功率下降,重啟后怠速抖動,停止試驗拆機后發(fā)現(xiàn)４缸第２個彈簧斷裂,其他零件無異常.故障件實物形貌如圖１所示.該氣門彈簧為兩端變節(jié)距氣門彈簧,彈簧兩端并頭并磨平,經過一圈均勻過渡到等節(jié)距.為了確定其斷裂原 因 ,筆 者 對 其 進 行 了 斷 口 形 貌 觀 察 和分析、化學成分分析、金相檢驗和硬度測試.
１ 理化檢驗
１．１ 斷口宏觀觀察
該氣 門 彈 簧 斷 裂 位 置 在 第 ２~３ 個 彈 簧 圈處,將斷口 放 在 掃 描 電 鏡 下 進 行 觀 察,發(fā) 現(xiàn) 其 斷裂源處于 磨 損 帶 處,磨 損 帶 上 有 一 些 小 凹 坑,如圖２~５所 示,且 有 些 凹 坑 附 近 可 以 看 見 一 些 細小裂 紋 (圖 ５ 箭 頭 所 示 ),磨 損 帶 在 彈 簧 的 接 觸圈處.
１．２ 斷口微觀觀察
彈簧斷口經超聲波清洗后,在 FEIＧ６５０型掃描電子顯微鏡上進行觀察.斷口截面的整體形貌如圖６所示,斷裂源位于彈簧接觸表面的磨損帶處;B區(qū)為疲勞擴展區(qū),該區(qū)域較為平坦,疲勞輝紋明顯,如圖７所示;C區(qū)為最終瞬斷區(qū),起伏較大,為韌窩形貌,如圖８所示.
１．３ 化學成分分析
使用SPECTRO ARCOSICP型等離子體發(fā)射光譜儀對斷裂氣門彈簧的化學成分進行分析,如表１所示,可見氣門彈簧的化學成分符合供貨雙方簽訂的技術協(xié)議要求.
１．４ 金相檢驗
對氣門彈簧斷口附近的橫縱截面分別取樣,鑲嵌后研磨、拋光.觀察縱截面試樣,其夾雜物含量較低,鋼材較純凈.采用４％(體積分數)硝酸酒精溶液侵蝕橫 截 面 試 樣,可 見 其 顯 微 組 織 為 回 火 屈 氏體[２](圖９),表面無脫碳或滲碳現(xiàn)象(圖１０).
１．５ 硬度測試
依照 GB/T４３４０．１－２００９中的測試方法,使用Wilson４３２SVD型顯微維氏硬度計對該氣門彈簧進行硬度測試.結果顯示其基體顯微硬度實測值為５９０,５９６,５９２HV,平均硬度為５９３HV,根據 DINENISO１８２６５－２００４轉換成洛氏硬度為５４．８HRC,符合技術協(xié)議中硬度為５２~５６HRC的要求.
２ 分析與討論
斷裂是氣門彈簧常見的損壞形式,總結氣門彈計出現(xiàn)問題造成強度不夠,裂紋源一般在彈簧的內側.失效彈簧兩端并緊磨平,該結構在第１~３圈處承受的彎曲應力及扭轉應力最大,工作時在此處發(fā)生斷裂的概率也最大.同時因為在１~３個彈簧圈處先承受沖擊載荷,又不能迅速有效地將載荷傳遞給其他圈彈簧,吸收的沖擊能量最多[４],因此相對于其他圈的壓縮量要更大.力學性能、微觀組織及化學成分的分析結果顯示,該氣門彈簧的硬度、化學成分均符合要求,顯微組織為正常的回火屈氏體,內部夾雜物也無異常.斷口的微觀形貌分析發(fā)現(xiàn),該氣門彈簧斷裂是由于在彈簧表面存在磨損帶,受應力作用下在該處發(fā)生疲勞開裂.彈簧受應力集中的作用在擦傷磨損處產生微裂紋,彈簧工作時不斷地周期性往復變形,裂紋在應力循環(huán)作用下逐漸擴展,形成了圖６所示的疲勞擴展區(qū) B,因此該區(qū)域較為平坦.失效氣門彈簧斷裂源處的磨損帶呈直線分布,
說明彈簧磨損帶是在斷裂之前形成的,同時彈簧內表面與外表面的受力分析表明,該氣門彈簧斷裂屬于異常疲勞斷裂.在掃描電鏡下觀察,疲勞斷裂源在彈簧表面磨損帶處,顯示接觸面擦傷對該氣門彈簧的斷裂有影響.
在耐久試驗過程中,氣門彈簧第２圈與第３圈不斷接觸,表面產生磨損帶.工作中氣門彈簧不停地往復運動,伴隨著應力的不斷循環(huán),磨損帶處形成疲勞斷裂源,受力的同時裂紋不斷擴展.當彈簧所剩有效截面不能承受外界載荷時,就會造成該氣門彈簧早期斷裂失效[５].
３ 結論及建議
該氣門彈簧斷裂屬于早期疲勞斷裂,斷裂失效的主要原因是由于在彈簧第２~３圈處有較嚴重的磨損帶,導致彈簧疲勞強度和疲勞壽命下降.建議生產廠家優(yōu)化噴丸工藝,提高氣門彈簧表面的疲勞強度,同時在滿足裝配的情況下,增加第２~３圈彈簧 間 距,盡 量 避 免 或 減 少 彈 簧 第 ２ 圈 與第３圈接觸.簧斷裂失效的原因主要有以下幾個方面:①氣門彈簧表面有缺陷,即使用或裝配過程中操作不規(guī)范,損壞了彈簧表面;②過載斷裂,即彈簧工作時受力超過材料本身所能承受的強度;③材料內部微觀組織異?；蚝瑯朔墙饘賷A雜物.該斷裂失效的氣門彈簧屬圓柱壓縮螺旋彈簧,兩端并緊磨平.該類型彈簧在軸向應力的作用下,任意橫截面所受到的切應力在彈簧的內徑受力最大,外徑受力最小[３].如果選擇材料不合適或者設計出現(xiàn)問題造成強度不夠,裂紋源一般在彈簧的內側.失效彈簧兩端并緊磨平,該結構在第１~３圈處承受的彎曲應力及扭轉應力最大,工作時在此處發(fā)生斷裂的概率也最大.同時因為在１~３個彈簧圈處先承受沖擊載荷,又不能迅速有效地將載荷傳遞給其他圈彈簧,吸收的沖擊能量最多[４],因此相對于其他圈的壓縮量要更大.
力學性能、微觀組織及化學成分的分析結果顯示,該氣門彈簧的硬度、化學成分均符合要求,顯微組織為正常的回火屈氏體,內部夾雜物也無異常.斷口的微觀形貌分析發(fā)現(xiàn),該氣門彈簧斷裂是由于在彈簧表面存在磨損帶,受應力作用下在該處
發(fā)生疲勞開裂.彈簧受應力集中的作用在擦傷磨損處產生微裂紋,彈簧工作時不斷地周期性往復變形,裂紋在應力循環(huán)作用下逐漸擴展,形成了圖６所示的疲勞擴展區(qū) B,因此該區(qū)域較為平坦.
失效氣門彈簧斷裂源處的磨損帶呈直線分布,說明彈簧磨損帶是在斷裂之前形成的,同時彈簧內表面與外表面的受力分析表明,該氣門彈簧斷裂屬于異常疲勞斷裂.在掃描電鏡下觀察,疲勞斷裂源在彈簧表面磨損帶處,顯示接觸面擦傷對該氣門彈簧的斷裂有影響.
在耐久試驗過程中,氣門彈簧第２圈與第３圈不斷接觸,表面產生磨損帶.工作中氣門彈簧不停地往復運動,伴隨著應力的不斷循環(huán),磨損帶處形成疲勞斷裂源,受力的同時裂紋不斷擴展.當彈簧所剩有效截面不能承受外界載荷時,就會造成該氣門彈簧早期斷裂失效[５].
３ 結論及建議
該氣門彈簧斷裂屬于早期疲勞斷裂,斷裂失效的主要原因是由于在彈簧第２~３圈處有較嚴重的磨損帶,導致彈簧疲勞強度和疲勞壽命下降.建議生產廠家優(yōu)化噴丸工藝,提高氣門彈簧表面的疲勞強度,同時在滿足裝配的情況下,增加第２~３圈彈簧 間 距,盡 量 避 免 或 減 少 彈 簧 第 ２ 圈 與第３圈接觸.
１．３ 支架受力與結構分析
支架除了受到裝配和連接總管的彎扭應力外,主要承受發(fā)動機工作時的振動應力,銷軸與支架采用點焊方式連接,易產生應力集中.從多起銷軸脫落和焊接區(qū)出現(xiàn)的裂紋特征來看,焊接點是支架中承力最薄弱的區(qū)域.
２ 分析與討論
銷軸與支架連接的焊點在發(fā)動機工作的振動應力作用下產生疲勞裂紋,進而斷裂引起銷軸脫落.該支架作為發(fā)動機總管的支架,在飛機飛行時承受振動應力,除飛機起飛和降落時,飛機正常飛行時振動應力很小.但出現(xiàn)了多起銷軸脫落和連接焊點疲勞裂紋,其原因應有支架的結構形式、焊接的連接方式、焊接強度等因素.在支架組件中,銷軸起到固定桿的作用,與支架采用開口管狀連接和點焊接方式,其支架與銷軸間的間隙很難保證,銷軸和支架焊縫結合線處存在尖銳夾角,在工藝上也難以徹底消除.因此,改進支架整體結構和連接方式,消除振動的局部集中點,是解決該故障的根本措施.故障件中焊接的熔化深度和有效焊接厚度都很小,這也是造成零件強度低,產生疲勞開裂的主要原因之一[８].對該故障件進行了焊接工藝改進研究,改進了焊接工藝參數和方法,使焊接的熔化深度、有效焊接厚度有了很大提高,改進后樣件焊點的微觀形貌見圖９.
通過以上分析,可以得出該型發(fā)動機發(fā)生多起銷軸脫落和銷軸與支架開裂的主要原因是支架組件的設計結構、連接工藝不合理和焊接強度低.
３ 結論
(１)該銷軸脫落是由于銷軸與支架連接點焊縫在發(fā)動機工作時產生疲勞開裂所引起的.
(２)銷軸脫落和銷軸與支架產生裂紋的主要原因是支架組件的設計結構、連接工藝不合理和焊接
強度低.
（文章來源：材料與測試網-理化檢驗－物理分冊>2017年>7期> pp.507）