發(fā)動(dòng)機(jī)連桿螺栓斷裂原因分析

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(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司, 上海 201201)

發(fā)動(dòng)機(jī)連桿螺栓斷裂原因分析

袁峰,靳寶宏,門菲

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司, 上海 201201)

某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿螺栓在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)中發(fā)生斷裂。通過(guò)宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、掃描電鏡分析、金相檢驗(yàn)、能譜分析等方法，對(duì)螺栓的斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：該連桿螺栓斷裂模式為多源疲勞斷裂；裂紋內(nèi)部存在大量的磷和鋅元素，說(shuō)明在搓絲工序時(shí)螺栓已經(jīng)產(chǎn)生了微小裂紋；在后期的磷化處理中，磷化液滲入微小裂紋中；臺(tái)架耐久試驗(yàn)過(guò)程中裂紋逐步疲勞擴(kuò)展并導(dǎo)致螺栓斷裂。

發(fā)動(dòng)機(jī)；連桿；螺栓；斷裂；磷化；多源疲勞

眾所周知，對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，連桿螺栓與缸蓋螺栓、曲軸皮帶輪螺栓、飛輪螺栓和曲軸軸承蓋螺栓并稱為5大關(guān)鍵螺栓。這些螺栓的強(qiáng)度基本上都超過(guò)10.9級(jí)，材料牌號(hào)為合金冷鐓鋼，需調(diào)質(zhì)處理。為了保證一定的夾緊力，生產(chǎn)裝配時(shí)基本都采用扭矩加轉(zhuǎn)角擰緊法，連桿螺栓作為發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵螺栓，會(huì)擰緊至屈服狀態(tài)。而連桿螺栓在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行中要承受活塞連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力和連桿旋轉(zhuǎn)離心力的交變載荷作用，而且在氣缸的壓縮和爆發(fā)行程中，還要受到每分鐘上千次交變應(yīng)力的沖擊[1]，斷裂模式通常為疲勞斷裂。

某發(fā)動(dòng)機(jī)連桿螺栓采用的材料為企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)，大致相當(dāng)于SCM435冷墩合金鋼，鉻和鉬含量較高，淬透性好，調(diào)質(zhì)后具備良好的綜合力學(xué)性能，滿足10.9級(jí)螺栓的要求，表面處理方式為鋅系磷化。發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行耐久臺(tái)架試驗(yàn)31 h時(shí)發(fā)出異響，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩迅速衰減至產(chǎn)生報(bào)警，拆機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)第四缸連桿發(fā)生斷裂，一個(gè)連桿螺栓彎曲，一個(gè)連桿螺栓斷裂。該耐久試驗(yàn)要求時(shí)長(zhǎng)為449 h，發(fā)生失效時(shí)，試驗(yàn)僅僅完成6.9%的進(jìn)度，遠(yuǎn)未滿足試驗(yàn)要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)連桿螺栓一直是汽車設(shè)計(jì)中要求最高的緊固件之一，也是驗(yàn)證過(guò)程最全面的零件之一，連桿螺栓的失效斷裂往往會(huì)導(dǎo)致整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢，若是在車輛行駛過(guò)程中，可能會(huì)造成更嚴(yán)重的后果。因此筆者對(duì)該失效螺栓進(jìn)行了全面的理化檢驗(yàn)和分析，以找出其斷裂的根本原因，進(jìn)而在生產(chǎn)過(guò)程中加以改進(jìn)。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢驗(yàn)

斷裂的連桿及螺栓如圖1所示，該連桿為第四缸連桿。將發(fā)動(dòng)機(jī)拆機(jī)后觀察發(fā)現(xiàn)，連桿產(chǎn)生了較大的形變并斷裂為若干部分，其中一個(gè)連桿螺栓已經(jīng)斷裂，另一個(gè)連桿螺栓未斷裂但已呈現(xiàn)明顯彎曲，可基本推斷螺栓彎曲為后期異常受力所導(dǎo)致。

圖1 失效連桿與螺栓宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the failure connecting rod and bolt

斷裂螺栓未見(jiàn)明顯的變形，斷口位于螺栓螺紋末端約10 mm處，目視螺紋無(wú)明顯缺牙、滑牙、擠壓等機(jī)械損傷，變形的螺栓也未見(jiàn)明顯的機(jī)械損傷。核查連桿螺栓的動(dòng)態(tài)扭矩監(jiān)控記錄表可知，裝配時(shí)的安裝扭矩及擰緊角度符合規(guī)范要求。對(duì)連桿進(jìn)行斷口分析及質(zhì)量檢測(cè)，結(jié)果表明連桿的尺寸、質(zhì)量及與活塞裝配均滿足圖紙及設(shè)計(jì)要求，綜合分析得出螺栓先于連桿發(fā)生失效，連桿在異常的載荷與運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生再斷裂。

1.2 化學(xué)成分分析

采用SPECTRO MAXx光譜儀對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果顯示螺栓材料的化學(xué)成分符合企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)GMW25-2013對(duì)10.9級(jí)螺栓材料成分的要求，見(jiàn)表1。

表1 斷裂螺栓化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Analysis results of chemical compositions of the fractured bolt (mass fraction) %

1.3 掃描電鏡分析

對(duì)螺栓斷口進(jìn)行清洗，先在體視顯微鏡下觀察，可見(jiàn)較明顯的貝殼狀紋路形貌，在向下擴(kuò)展至2/3處出現(xiàn)明顯的臺(tái)階面或剪切唇，應(yīng)為終斷區(qū)域，如圖2所示。對(duì)斷口進(jìn)行切割，放入掃描電子顯微鏡內(nèi)觀察斷口形貌，可見(jiàn)斷裂起源于螺牙根部，有若干起源點(diǎn)，與文獻(xiàn)[2]的斷裂位置較為相似，斷口向下擴(kuò)展，整個(gè)起源區(qū)域形貌平坦，如圖3所示。

圖2 螺栓斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture surface of the bolt

圖3 斷口起源區(qū)形貌Fig.3 Morphology of the fracture source area

為了研究斷口的擴(kuò)展特征，重點(diǎn)觀察螺栓的裂紋擴(kuò)展區(qū)。如圖4a)所示，在低倍下，裂紋擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)明顯的海灘狀條紋，這些條紋基本相互平行，并與裂紋傳播方向相垂直，符合典型的疲勞斷口形貌。對(duì)該區(qū)域放大可見(jiàn)疲勞輝紋，但不是特別明顯，這也與螺栓在很短的時(shí)間內(nèi)失效斷裂有一定的關(guān)系，如圖4b)所示。

螺栓斷口的終斷區(qū)位于斷面下方，與擴(kuò)展區(qū)之間存在明顯的臺(tái)階面，高于斷口起源區(qū)與擴(kuò)展區(qū)，與擴(kuò)展區(qū)相比更為粗糙，如圖5a)所示。對(duì)該區(qū)域放大，可見(jiàn)典型的韌窩形貌，從具體形狀上看，更接近于拉伸造成的正韌窩形貌，如圖5b)所示。

1.4 金相檢驗(yàn)

螺栓的生產(chǎn)工藝為調(diào)質(zhì)處理，對(duì)螺栓進(jìn)行金相檢驗(yàn)：可見(jiàn)螺栓的心部顯微組織正常，為典型的回火索氏體加少量鐵素體，表面無(wú)脫碳現(xiàn)象[3]，如圖6所示；在螺牙根部，發(fā)現(xiàn)了細(xì)小的裂紋，總長(zhǎng)度約為40 μm，如圖7所示。

1.5 能譜分析

圖4 斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌Fig.4 Morphology of crack propagation area of the fracture surface: a) at low magnification; b) at high magnification

圖5 斷口終斷區(qū)形貌Fig.5 Morphology of final fracture area of the fracture surface: a) at low magnification; b) at high magnification

圖6 螺栓基體顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of the bolt matrix

圖7 螺紋牙底的裂紋深度Fig.7 The depth of cracks in the thread roots

為了進(jìn)一步研究其他螺紋根部裂紋的來(lái)源與特征，對(duì)螺紋牙底裂紋處的物質(zhì)進(jìn)行了能譜分析，結(jié)果如圖8所示，可見(jiàn)螺紋牙底處含有大量的磷和鋅元素。為了便于對(duì)比，也分析了螺栓外表面的物質(zhì)，結(jié)果如圖9所示，可見(jiàn)這兩處的物質(zhì)成分接近，可基本判斷為同一組物質(zhì)。該螺栓采用的表面處理工藝為鋅系磷化，該磷化膜的主要成分為磷酸鋅。

1.6 硬度測(cè)試

對(duì)螺栓進(jìn)行線切割縱剖取樣，對(duì)其心部進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果為338，348，344 HV1，均滿足螺栓圖紙對(duì)心部硬度320～382 HV1的設(shè)計(jì)要求。

2 分析與討論

宏觀檢查表明，除脹斷面外，連桿共有3處斷口，均發(fā)生了較嚴(yán)重的斷口磨損。局部未磨損的新鮮斷口全部呈現(xiàn)典型的韌窩形貌，通過(guò)對(duì)連桿在缸內(nèi)計(jì)算機(jī)模擬工程軟件的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，結(jié)合連桿斷裂模式可以得出，連桿螺栓先行斷裂從而導(dǎo)致連桿受力彎曲斷裂的可能性較大。通過(guò)能譜分析可知，裂紋內(nèi)部和螺栓表面成分基本一致，含有磷和鋅元素，得出螺栓裝配前就已存在機(jī)加工裂紋，在磷化處理工藝階段磷化液進(jìn)入到微小裂紋中[4]。這些先期裂紋是誘發(fā)螺栓產(chǎn)生疲勞斷裂的根本原因，進(jìn)而導(dǎo)致連桿發(fā)生過(guò)載失效，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)報(bào)警。

圖8 螺紋牙底裂紋處的能譜分析結(jié)果Fig.8 Analysis results of energy spectrum in crack area of the thread roots: a) analysis position; b) analysis results

圖9 螺栓表面能譜分析結(jié)果Fig.9 Analysis results of energy spectrum of the bolt surface: a) analysis position; b) analysis results

3 結(jié)論及建議

(1) 該連桿螺栓斷裂是因?yàn)榇杲z工藝階段螺牙根部產(chǎn)生了微小裂紋，這些裂紋作為應(yīng)力集中點(diǎn)，在高強(qiáng)度的服役過(guò)程中成為裂紋源并不斷疲勞擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致螺栓和連桿斷裂。

(2) 建議在日常生產(chǎn)設(shè)備點(diǎn)檢、作業(yè)指導(dǎo)、流轉(zhuǎn)等檢查過(guò)程中，采用渦流等設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，加大螺紋成型后的質(zhì)量檢測(cè)頻率并提高檢測(cè)要求，最大程度避免螺紋缺陷[5]。

(3) 建議廠家采用三輥滾壓法替代平板搓絲法加工螺紋，并實(shí)施先熱處理后螺紋成型的工序，從而提高螺紋的疲勞性能[6]，減少平板搓絲可能帶來(lái)的螺紋折疊、毛刺等缺陷。

[1] 陸剛. 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿螺栓及其緊固[J].金屬制品,2011,37(1):37-41.

[2] 吳安術(shù).主汽門螺栓斷裂分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2013,49(z2):288.

[3] 任頌贊,葉儉,陳德華.金相分析原理及技術(shù)[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2012.

[4] 孟文華,曾偉傳,顧靜青,等.10.9級(jí)螺栓早期疲勞斷裂失效分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2016,53(5):365-367.

[5] 湯祺,馮搏,楊蕓,等.表面粗糙度對(duì)渦流檢測(cè)的影響[J].無(wú)損檢測(cè),2016,38(3):47-51.

[6] 高偉.發(fā)動(dòng)機(jī)12.9級(jí)連桿螺栓的材料與工藝[J].汽車技術(shù),2005(11):28-30.

AnalysisonFractureReasonsofaConnectingRodBoltofanEngine

YUANFeng,JINBaohong,MENFei

(Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd., Shanghai 201201, China)

A connecting rod bolt of an engine fractured during the durability bench test of the engine. The fracture reasons of the bolt were analyzed through macroscopic inspection, chemical composition analysis, scanning electron microscopy analysis, metallographic inspection, energy spectrum analysis and so on. The results show that: the fracture mode of the connecting rod bolt was multi-source fatigue fracture; there were plenty of elements of phosphorus and zinc inside cracks, which indicated that the cracks had been produced in thread rolling process; the phosphatizing liquid infiltrated into the micro cracks during the following phosphatizing treatment, and the fatigue cracks gradually expanded and led to the fracture of the bolt during the durability bench test.

engine; connecting rod; bolt; fracture; phosphatizing; multi-source fatigue

10.11973/lhjy-wl201711016

TG115.2

B

1001-4012(2017)11-0833-04

2017-03-14

袁 峰(1982-),男,工程師,主要從事汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱金屬材料及工藝研究，以及動(dòng)力總成相關(guān)零件的失效分析，iyuanfeng@outlook.com