鋁硅合金活塞的機械疲勞可靠性對發動機使用壽命的影響

于彥良

摘要：本文針對鋁硅合金活塞機械疲勞可靠性的重要性進行了分析，并對活塞機械疲勞可靠性對發動機使用壽命的影響提出了通過構建壽命預測模型進行相關研究的方法，旨在更有效地發現鋁硅合金活塞的機械疲勞可靠性對發動機使用壽命影響的規律，并以此為研究方向進一步提高對鋁硅合金活塞結構的設計優化，降低活塞的機械疲勞，從而使發動機的使用壽命得到更有效的延長。

Abstract： This paper analyzes the importance of the piston mechanical fatigue reliability of Al Si alloy， and puts forward the method of related research by constructing life prediction model aiming at the influence of the piston mechanical fatigue reliability on service life of the engine， so as to more effectively find the rule of effects of mechanical fatigue reliability of aluminum silicon alloy piston on engine life. And it takes this as the research direction to further improve the aluminum silicon alloy piston structure design optimization， reduce the piston mechanical fatigue， so as to more effectively extend the engine service life.

關鍵詞：鋁硅合金活塞；機械疲勞可靠性；發動機壽命

Key words： Al Si alloy piston；mechanical fatigue reliability；engine life

中圖分類號：TK441 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）34-0118-030 引言

自一百多年前被發明至今，發動機在工業、農業、交通等各個領域都得到了廣泛應用，為人類的發展起到了重要的推動作用。隨著科學技術的快速發展，近年來發動機在設計、制造以及材質的優化方面都取得了較大的進步，但提高發動機的機械效率和使用壽命的相關研究從未停止。影響發動機壽命的重要因素常常出現在機械部件的疲勞破壞方面，這一類問題具有較強的隱蔽性和突發性，問題的發生常常沒有明顯征兆，但對發動機的負面影響卻非常大。其中，尤其以發動機結構中的活塞結構的機械疲勞可靠性對于發動機的可靠性影響最大。目前，發動機活塞的制作材料主要以鋁硅合金為主。近年來，發動機在日趨嚴竣的高溫高壓工作條件下工作的情況越來越多，而高溫、高壓、磨損腐蝕等惡劣的工作條件是對發動機可靠性最大的威脅。在這種工作環境中鋁硅合金材質的活塞因其密度小、傳熱系數好的特質對于提高發動機壽命起到了得要的作用，因此長期以來一直是發動機活塞制造的首選材料。隨著市場對發動機可靠性和使用壽命的嚴格要求，提高活塞的機械疲勞可靠性已成為得要研究課題。雖然硅鋁合金活塞在承載能力方面已達到了其疲勞極限，但通過結構優化，依然可以在控制生產成本、提高發動機機械效率和使用壽命方面發揮巨大作用。

1 鋁硅合金活塞的機械疲勞可靠性的重要性分析

作為發動機的首要動力源零件，活塞在整個發動機結構中起著將熱能轉化為機械能的重要作用。通過活塞的往復非勻速直線運動，可以將發動機燃燒系統中由高溫燃氣爆發的熱能轉換為機械能，再由連桿和曲軸轉化為旋轉運動，使發動機能正常輸出功率。在發動機的損傷中，活塞的故障損傷率往往是最高的，這與活塞長期處于負荷過大且惡劣的工作環境有密切關系。高溫、高壓、磨損、腐蝕的工作環境使得活塞出現機械疲勞的機理顯得非常復雜。金屬原子產生位錯、微觀裂紋的萌生、工程裂紋的擴展，都會造成活塞的機械疲勞性破壞，出現斷裂，從而影響到活塞的可靠性。而造成活塞裂紋出現的原因較多，鋁硅合金的強度、幾何形狀結構、活塞表面的粗糙度、承受載荷性質以及內部組織的微觀缺陷、工作環境中的腐蝕介質等，都會引發活塞的裂紋。這些因素涉及到的領域非常廣泛，包括金屬材料學、冶金學、物理、化學、力學等，因此，針對活塞可靠性對發動機使用壽命的影響雖然長期以來都受到了相關研究人員的重視，并投入了大量的人力、物力、精力，但依然存在許多急待解決的理論和實際問題。

2 鋁硅合金活塞機械疲勞壽命預測模型

不同的情況對于發動機活塞形成的破壞差別很大，目前的能量準則在描述熱和機械復雜載載荷下的工作過程方面還存在較大的欠缺。在針對鋁硅合金活塞機械疲勞壽命預測方面，經較實用的還是應用、應變類的準則。應變類準則的適用性更廣，而應力準則在高循環疲勞的預測上更有優勢。

在采用應變類準則時，首先需要明確活塞在循環載荷下的彈性、塑性應變范圍。在相關的預測模型中材料的軟硬化問題可以忽略，通過直接采用材料的循環應力應變曲線，利用彈塑性有限元計算最大載荷下發動機活塞的彈性、塑性應變，再以材料本身的工作、變形特點，可以確立合理的假設，從而得到反映實際低循環載荷下的疲勞破壞應力應變曲線。基于這一理論建立發動機活塞的疲勞壽命計算模型，能夠得到多種因素對發動機使用壽命的影響，包括平均應力應變、高頻脈動載荷、高溫蠕變等。該模型中，最基礎的預估壽命的公式為：

Δεp=ΔεfN

公式中Δεp表示塑性應變范圍。在高溫工作環境下，塑性變形的情況并不穩定，在大于104的壽命范圍內，彈性、塑性應變范圍的數量級是相當的，可采用考慮彈性項影響的準則，得到公式：endprint

Δε=Δεe+Δεp=N+εfN

公式中，E代表材料彈性模量，Δε代表總應變范圍，εf代表疲勞延性系數，c代表疲勞延性指數，σf代表疲勞強度系數，b代表疲勞強度指數。

結合29種金屬材料在常溫下的實驗結果，利用通用斜率法得出b=-0.12，c=-0.6，σf=3.5σb，σf=ε。σf表示材料的斷裂延性。

在載荷和應用對稱的情況下，循環平均載荷為：

Fm=（Fmax+Fmin）/2=0

循環平均應力為：

σm=（σmax+σmin）/2=0

此時，可以采用公式Δε=Δεe+Δεp=進行零件壽命的預估。然而由于發動機活塞的工作環境的復雜性，活塞頭部容易出現疲勞裂紋，影響到在循環載荷下活塞的應力應變遲滯回線的形狀。利用彈塑性有限元計算只能得到零件的計算點溫度T、工作條件下的壓應力σ和彈性壓應變e和塑性壓應變p，因此無法獲得精確的彈性、塑性應變范圍，也無法對零件的壽命進行預估。想要獲得活塞機械疲勞可靠性對發動機使用壽命影響的預估，就需要明確發動機工作、載荷的特殊性對包括塑性應變范圍在內的特性參數的影響，這樣才能應用于壽命預測公式中。

2.1 低頻脈沖載荷下的壽命影響

發動機在啟動-工作-停機的過程中采用的低頻循環載荷是脈沖載荷，而在低負荷-高負荷-低負荷的低頻循環載荷是單向載荷循環。

在忽略高溫蠕變影響的情況下，脈沖載荷和單向載荷會對活塞零件產生低循環疲勞，假設所有的應變范圍的值都大于零，那么平均應變則為εpm=εp+Δεp/2<0，其中p為通過計算得到的塑性應變。當然循環應力平均值不會為零，當材料隨動硬化后，循環應力的平均值則為σm=（σ+σd）/2<0。對于脈沖及單向載荷，計算表明一般不會由于卸載在材料內部產生符號相反的殘余應變，值為對稱循環載荷作用下的循環塑性應變范圍。已知Δεp和εp之間的半系為單調關系。零件在工作時的應變絕對值與卸載殘余應變絕對值之間在小范圍的應變集中區為前者遠大于后者，尤其是在高溫工作環境下，可將卸載后的最小殘余應變絕對值視為零，則材料的應力應變曲線呈現出服從以下公式的特點：

σ-σs=Kεpm

K在該公式中表示的是與溫度有關的材料常數，m是指的是材料的硬化指數。假設εd=0，那么d點的應用值應以下以公式進行計算：

σd=（2σ-σ）+K（εp-）m

由此可以推導出拉壓同性、隨動強化材料的循環塑性應變范圍：

2.2 高溫蠕變對壽命的影響

高溫蠕變導致的塑性變形不可恢復，且若不斷增加應力、溫度，高溫蠕變產生的變形的大小呈現出冪指數的關系增長。在應力值比材料的屈服應力略大時，在脈沖及單向載荷中，卸載后的殲余應力不會出現低循環疲勞破壞。但當高溫蠕變存在時，在高溫和高應力的作用下，卸載后的殲余應力會出現低循環疲勞破壞。當零件所處的工作環境溫度達到了一定高度，使第一次加載的應力小于材料屈服應力時，也會造成蠕變的穩定累積，形成穩定的應力應變回線，產生低循環疲勞破壞。在發動機中同時存在塑性和蠕變變形時，在高溫蠕變的作用下，活塞頭部會產生低頻疲勞裂紋，并且伴隨著高溫應力松弛，這使得高溫蠕變對零件壽命的影響呈現出復雜的規律性。

從應變結果的角度出發，蠕變與拉壓塑性變形的區別并不大。根據最終的循環曲線與應力對稱特環相近似的規律，可以認為每個循環的蠕變大小為：

其中表示應力，t表示時間，T則代表溫度，其他的表示材料常數。

基于安德雷德蠕變，針對鋁硅合金，指數n取1/3。由高溫壓縮蠕變的相關實驗得到c。由于塑性變形的不足被蠕變彌補，所以上述公式中的塑性變形εp由εpc=εp+εc代替。

2.3 高頻載荷對壽命的影響

除了以上說明的載荷外，發動機工作時還存在一種變化的高頻熱載荷及氣體壓力產生的機械負荷，由于這些高頻載荷在一般情況下對壽命的影響較小，因此沒有必要將高頻載荷對發動機壽命的影響單獨列出考慮。但溫度的微小增加在高溫及高應力條件下，會使蠕變的速度提高好幾倍。因此，對于高頻熱載荷及機械負荷的考慮如果是基于低頻載荷的情況，那么對發動機的壽命影響則是非常大的。在計算時，在低頻溫度值的基礎上直接累加高頻溫度波幅，同時在低頻應力分量的基礎上疊加高頻應力分量幅值，就可實現高頻載對發動機的壽命影響的考慮。

通過以上分析，聯合平均應力、塑性應變公式，可借助彈塑性有限元計算結果得到一組鋁硅合金活塞機械疲勞可靠性對發動機使用壽命影響的相關公式：

2εe+Δεp=N+（εf-εpm）0.6NΔεp=εpc-σd/Eεpc=εp+εcεc=β0σc1etnσd=（2σ-σ）+K（εpc-）mσm=（σ+σd）/2εpm=εpc+Δεp/2

3 結論

根據以上分析結果，可以計算出鋁硅合金活塞機械疲勞可靠性對發動機使用壽命的影響相關計算如果如表1～表3。

通過計算結果可知塑性應變范圍小于塑性應變的絕對值和蠕變應變的絕對值，從而證實了鋁硅合金活塞疲勞可靠性與發動機使用壽命之間的關系以及活塞疲勞可靠性對發動機使用壽命的影響。

參考文獻：

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