汽油發動機氣門彈簧斷裂失效分析

胡 鵬, 江仲佶, 祁學軍

(神龍汽車有限公司, 武漢 430056)

質量控制與失效分析

汽油發動機氣門彈簧斷裂失效分析

胡 鵬, 江仲佶, 祁學軍

(神龍汽車有限公司, 武漢 430056)

某汽油發動機氣門彈簧在臺架試驗中發生了早期斷裂失效。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。

氣門彈簧；磨損；疲勞斷裂

氣門彈簧是發動機配氣系統中的一個關鍵零件，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動機的運行安全及效率[1]。

山東某公司生產的發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，裝入發動機進行臺架試驗。試驗進行到第468 h時(要求進行500 h耐久試驗)，發動機功率下降，重啟后怠速抖動，停止試驗拆機后發現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。

圖1 斷裂氣門彈簧宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured valve spring

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，發現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。

圖2 接觸面磨損帶形貌Fig.2 Morphology of the abrasion zone on contact surface

圖3 磨損帶中凹坑形貌Fig.3 Morphology of pits in the abrasion zone

圖4 斷裂源附近磨損帶形貌Fig.4 Morphology of the abrasion zone near the fracture source

圖5 斷裂源附近磨損帶中微裂紋形貌Fig.5 Morphology of micro cracks in abrasion zone near the fracture source

1.2 斷口微觀觀察

彈簧斷口經超聲波清洗后，在FEI-650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區為疲勞擴展區，該區域較為平坦，疲勞輝紋明顯，如圖7所示；C區為最終瞬斷區，起伏較大，為韌窩形貌，如圖8所示。

圖6 斷口整體形貌Fig.6 Overall morphology of the fracture surface

圖7 斷口的疲勞輝紋形貌Fig.7 Morphology of fatigue striations of the fracture surface

圖8 斷口韌窩形貌Fig.8 Morphology of dimples of the fracture surface

1.3 化學成分分析

使用SPECTRO ARCOS ICP型等離子體發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議要求。

表1 氣門彈簧的化學成分分析結果(質量分數)

Tab.1 Analysis results of chemical compositions of the valve spring (mass fraction) %

項目CMnPSSiCrV實測值0.650.620.010.011.490.690.11要求值0.50～0.700.50～0.80≤0.02≤0.021.20～1.650.50～1.000.05～0.15

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象(圖10)。

圖9 氣門彈簧的顯微組織形貌Fig.9 Microstructure morphology of the valve spring

圖10 氣門彈簧的表面組織形貌Fig.10 Surface structure morphology of the valve spring

1.5 硬度測試

依照GB/T 4340.1-2009中的測試方法，使用Wilson 432SVD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590，596，592 HV，平均硬度為593 HV，根據DIN EN ISO 18265-2004轉換成洛氏硬度為54.8 HRC，符合技術協議中硬度為52～56 HRC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常或含超標非金屬夾雜物。

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現，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，裂紋在應力循環作用下逐漸擴展，形成了圖6所示的疲勞擴展區B，因此該區域較為平坦。

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，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] 王慧.發動機氣門彈簧斷裂失效[J].理化檢驗-物理分冊,2015,51(2):139-142.

[2] 任頌贊,張靜江,陳質如,等.鋼鐵金相圖譜[M].上海:上海科學技術文獻出版社,2003:178.

[3] 韓雅靜,王哲人,王慧.汽車發動機氣門彈簧斷裂分析[J].金屬材料熱處理,2001,26(9):47-48.

[4] 王明明,鹿云,楊福平,等.汽車發動機氣門彈簧失效分析[J].汽車工藝與材料,2015(7):23-26.

[5] 楊輝,吳啟梁.氣門彈簧斷裂的影響因素及原因分析[J].內燃機,2010(2):39-40.

Fracture Failure Analysis of a Valve Spring of the Gasoline Engine

HU Peng, JIANG Zhongji, QI Xuejun

(Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Co., Ltd., Wuhan 430056, China)

The early fracture failure occurred to a valve spring of the gasoline engine during the bench test. The failure reasons of the valve spring were analyzed by means of fracture observation and analysis, chemical composition analysis, metallographic examination and hardness testing. The results show that: the fracture mechanism of the valve spring was fatigue fracture; the fracture reason of the valve spring was that the abrasion existed on the surface and reduced the fatigue strength and the fatigue life of the valve spring.

valve spring; abrasion; fatigue fracture

10.11973/lhjy-wl201707012

2016-09-05

胡 鵬(1985-)，男，工程師，學士，主要從事金屬材料國產化及試驗技術指導工作，penghu4@126.com

TG115.2

B

1001-4012(2017)07-0507-03