氣缸蓋材料熱疲勞試驗(yàn)臺(tái)的開發(fā)

【美】 W.J.LAI C.ENGLER-PINTO

0 前言

汽車制造商們一直在致力于提高燃油效率,以滿足為未來(lái)制定的嚴(yán)格燃油經(jīng)濟(jì)性要求。除輕量化外,渦輪增壓也已成為提高燃油效率并保證功率輸出,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)小型化的1種先進(jìn)設(shè)計(jì)策略。但是,渦輪增壓會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度升高,通常會(huì)導(dǎo)致零部件故障。車用發(fā)動(dòng)機(jī)零部件通常需要承受復(fù)雜的負(fù)荷條件和熱循環(huán)。在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋內(nèi),高周疲勞(HCF)是由循環(huán)發(fā)火壓力導(dǎo)致的,低周疲勞(LCF)是由發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和關(guān)閉過(guò)程中熱循環(huán)誘發(fā)的塑性應(yīng)變導(dǎo)致的。針對(duì)氣缸蓋溫度和壓力的提升需求,開發(fā)了多種耐熱鑄鋁合金,以供該新型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)使用。通常,新型合金的熱疲勞性能通過(guò)各種試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)測(cè),如等溫疲勞試驗(yàn)、熱機(jī)疲勞(TMF)試驗(yàn),以及其他熱屬性測(cè)量(熱容量、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等)。這些試驗(yàn)費(fèi)用昂貴且耗時(shí)。此外,由于所有熱屬性的共同作用,估算得到的熱疲勞性能準(zhǔn)確度不高。熱疲勞試驗(yàn)是將所有材料屬性考慮在內(nèi)的結(jié)構(gòu)試驗(yàn),等溫低周疲勞試驗(yàn)和熱機(jī)疲勞試驗(yàn)是獲取材料固有疲勞屬性的良好工具。對(duì)于合金的熱疲勞試驗(yàn),最準(zhǔn)確和最直接的方法是進(jìn)行零部件級(jí)的試驗(yàn)。試驗(yàn)利用噴燈對(duì)氣缸蓋上的燃燒室進(jìn)行加熱,利用水霧進(jìn)行冷卻[1]。利用熱電偶對(duì)臨界位置的溫度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。在光學(xué)顯微鏡下對(duì)氣缸蓋進(jìn)行周期性檢查,直至其出現(xiàn)裂紋。但是,氣缸蓋成形及氣缸蓋熱疲勞試驗(yàn)的成本都是非常高的。因此,只能進(jìn)行小規(guī)模的熱疲勞試驗(yàn)。

本文提出了多種熱疲勞試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法,所有這些裝置和方法都各有優(yōu)劣。Hayashi[2]采用沙漏圓頭啞鈴形試樣及專門設(shè)計(jì)的熱壓罐測(cè)試了304不銹鋼的熱疲勞強(qiáng)度。利用沸水堆(BWR)在水環(huán)境中的熱水射流和冷水射流對(duì)試樣分別進(jìn)行加熱和冷卻。該試驗(yàn)系統(tǒng)的目的是要在BWR 模擬環(huán)境中研究304不銹鋼的熱疲勞特性。

Meyer-Olbersleben等[3]采用帶刃狀的楔形試樣研究了鎳基單晶高溫合金的熱疲勞特性。采用感應(yīng)線圈加熱刃狀部分,由刃狀前端的銅噴頭進(jìn)行空氣冷卻。試樣中的熱膨脹差異導(dǎo)致出現(xiàn)熱應(yīng)變和熱應(yīng)力。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是試樣幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且循環(huán)時(shí)間短,缺點(diǎn)是整個(gè)刃狀部分的加熱和冷卻不均勻。Panda[4]和Wei等[5]采用具有類似設(shè)計(jì)但呈扁厚狀的試樣,利用氣焊焊炬進(jìn)行加熱。Schneider等[6]采用圓盤形試樣,利用2盞鹵鎢燈進(jìn)行加熱。加熱速率可達(dá)到1 000°C/s。

綜上所述,良好的加熱方法及合適的試樣結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)高效可靠熱疲勞試驗(yàn)臺(tái)的必要條件。本文介紹了1種新型熱疲勞試驗(yàn)臺(tái),提出了比較不同鋁合金熱疲勞性能的試驗(yàn)方法。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 熱疲勞試驗(yàn)臺(tái)

本研究采用的熱疲勞試驗(yàn)臺(tái)見圖1。該設(shè)計(jì)借鑒了其他研究者能夠提高效率的幾項(xiàng)理念。在加熱過(guò)程中,試驗(yàn)臺(tái)采用具有特殊設(shè)計(jì)線圈的感應(yīng)加熱器對(duì)試樣測(cè)量段進(jìn)行局部加熱。

夾具是試驗(yàn)臺(tái)的必要組成部分,功能是固定試樣,同時(shí)為其提供冷卻。夾具夾住頂部和底部的零部件末端,確保試樣不會(huì)在熱循環(huán)中變松滑落,且與夾具保持完全接觸從而充分冷卻。在熱循環(huán)中,夾具由貫穿夾具中心的冷卻回路持續(xù)冷卻,吸收試樣背部的多余熱量,以防止其熔化。冷卻液溫度設(shè)定為60°C。在冷卻循環(huán)中,利用位于測(cè)量段兩端的2個(gè)噴頭通過(guò)壓縮空氣對(duì)試樣測(cè)量段進(jìn)行局部冷卻(圖1)。快速加熱和冷卻會(huì)在測(cè)量段產(chǎn)生極端熱應(yīng)變。

如圖1 所示,測(cè)量段的溫度由高溫計(jì)持續(xù)監(jiān)控。在試樣測(cè)量段的兩端都涂有黑色的耐熱涂料,從而能對(duì)溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。為確保溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性,對(duì)涂料的發(fā)射率進(jìn)行了標(biāo)定。

測(cè)量段中心需要承受最高的應(yīng)變和溫度,裂紋極有可能在該位置附近出現(xiàn)。利用砂紙對(duì)測(cè)量段環(huán)形孔的內(nèi)表面進(jìn)行了拋光處理,消除表面的機(jī)加工缺陷,從而易于觀察出現(xiàn)的裂紋。拋光方向與裂紋方向垂直,以防止由于人工缺陷而導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋。

利用Lab VIEW 軟件控制熱循環(huán)并記錄溫度。典型的熱循環(huán)范圍是10～40 s,可以對(duì)加熱和冷卻時(shí)間進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整。

圖1 該研究中采用的熱疲勞試驗(yàn)臺(tái)

1.2 熱疲勞試樣的幾何結(jié)構(gòu)

熱疲勞試樣采用的設(shè)計(jì)即測(cè)量段出現(xiàn)的機(jī)械應(yīng)變是由試樣內(nèi)的熱應(yīng)變及溫度梯度引發(fā)的。試樣是1個(gè)薄長(zhǎng)方體,靠近一側(cè)有1個(gè)環(huán)形孔,具體幾何結(jié)構(gòu)見圖2。測(cè)量段的厚度逐漸變薄,從側(cè)面看呈沙漏型。由于在加熱循環(huán)中測(cè)量段的溫度升高,試樣剩余部分的溫度較低,因此抑制了熱膨脹及壓縮應(yīng)變的產(chǎn)生。在冷卻循環(huán)中,測(cè)量段由壓縮空氣進(jìn)行局部冷卻,從而產(chǎn)生拉伸應(yīng)變。試樣較大的表面積將熱量散發(fā)到空氣中,且試樣的背部始終通過(guò)夾具連續(xù)冷卻。

圖2 熱疲勞試樣幾何結(jié)構(gòu)

試樣的測(cè)量段模擬的是最可能經(jīng)受熱疲勞沖擊的氣缸蓋內(nèi)的氣閥橋,該氣閥橋需要經(jīng)受最極端熱梯度。圖3為試驗(yàn)所用氣缸蓋上燃燒室氣口設(shè)計(jì)的典型結(jié)構(gòu)。進(jìn)、排氣口之間的閥橋采用圓圈標(biāo)記,在閥橋位置可以看見裂紋。

圖3 試驗(yàn)氣缸蓋燃燒室上的氣閥閥橋(圓圈圈出的是進(jìn)排氣口之間的氣閥閥橋；箭頭指示的是氣閥閥橋中心出現(xiàn)的裂紋)

利用有限元分析工具對(duì)試樣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,從而可以在合理的時(shí)間框架內(nèi)實(shí)施加速熱疲勞試驗(yàn)。為確定最優(yōu)的試樣結(jié)構(gòu),以及確保裂紋出現(xiàn)在預(yù)想的位置,進(jìn)行了多次重復(fù)試驗(yàn)。

1.3 熱疲勞試驗(yàn)過(guò)程

如上所述,熱疲勞試驗(yàn)是比較不同材料熱機(jī)屬性的理想方法。采用4種氣缸蓋鋁合金材料用于比較。同時(shí),需要進(jìn)行1項(xiàng)初步試驗(yàn)以了解加熱速度與電流輸入之間的關(guān)系,獲取出現(xiàn)裂紋的循環(huán)數(shù)。利用這些信息可以確定熱循環(huán)時(shí)間,以及估算出相應(yīng)的裂紋出現(xiàn)循環(huán)數(shù)。

該研究中使用的材料被分別命名為合金1～4。這些合金之間的差異分別為微量元素添加量及熱處理工藝。基于保密性的原因,無(wú)法公開這些合金的具體成分。試驗(yàn)采用2種方法：1種是固定加熱電流輸入,并在達(dá)到特定循環(huán)數(shù)時(shí)停止試驗(yàn)；另1種是在穩(wěn)定循環(huán)中固定最高溫度,并在達(dá)到特定循環(huán)數(shù)時(shí)停止試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的3種條件見表1。條件1為400 A 固定電流輸入。條件2為450 A 固定電流輸入,但加熱時(shí)間縮短了5 s,從而與條件1相比具有類似的最高溫度。條件3為穩(wěn)定循環(huán)過(guò)程,固定最高溫度為280°C,由于不同的合金具有不同的熱屬性且電流輸入會(huì)發(fā)生變化,因此對(duì)于電流輸入也會(huì)相應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

所有試驗(yàn)在2 000個(gè)循環(huán)時(shí)停止,將試樣切割開,并利用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)試樣進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)初步試驗(yàn)確定終止循環(huán),在試樣未完全斷裂之前就可以觀察到合理數(shù)量的裂紋。確定裂紋出現(xiàn)的起始位置是1項(xiàng)艱巨的任務(wù),因?yàn)樗苄宰冃螌?dǎo)致試樣表面極為粗糙,很難識(shí)別小裂紋。為此建立了裂紋計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn),以量化裂紋數(shù)量,且僅計(jì)算長(zhǎng)度超過(guò)50μm 的裂紋。裂紋長(zhǎng)度定義為裂紋兩端端點(diǎn)之間的直線長(zhǎng)度。該計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為比較4種合金的熱疲勞性能提供了合理的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)。

針對(duì)合金1和合金3,在每種試驗(yàn)條件下對(duì)2種試樣進(jìn)行了測(cè)試。針對(duì)合金2和合金4,在每種試驗(yàn)條件下對(duì)3種試樣進(jìn)行了測(cè)試。盡管結(jié)果和討論不受影響,但由于試樣數(shù)量有限,還是進(jìn)行了折中處理。

表1 該研究中采用的試驗(yàn)條件

2 結(jié)果與討論

多數(shù)裂紋都位于測(cè)量段中心附近且方向與主拉伸應(yīng)力方向垂直,具體實(shí)例見圖4。在試樣表面上可以清晰看到大量塑性變形。由于極端溫度和塑性應(yīng)變的原因,與高周循環(huán)疲勞中常見的裂紋不同,裂紋會(huì)以不規(guī)則形狀進(jìn)行增長(zhǎng)和擴(kuò)散。每個(gè)試樣在不同試驗(yàn)條件下觀察到的裂紋長(zhǎng)度如圖5所示,其中每個(gè)點(diǎn)代表1條觀察到的裂紋。

圖4 條件1下的合金2試樣(對(duì)該區(qū)域內(nèi)的3條裂紋進(jìn)行識(shí)別,并對(duì)裂紋長(zhǎng)度進(jìn)行了測(cè)量。主拉伸應(yīng)力方向呈垂直方向。)

2.1 電流輸入的影響

為了比較不同合金之間的熱機(jī)性能,將電流輸入設(shè)置為恒定值,熱容、熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)等合金的熱屬性共同決定了測(cè)量段產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)變。由于試樣的熱屬性及氣孔等缺陷,最高溫度也會(huì)發(fā)生變化。該研究中采用的合金是鑄鋁合金,在鑄造過(guò)程中,縮孔和氣孔是常見的缺陷。結(jié)果顯示,與合金1相比,合金2、合金3和合金4具有大量的縮孔和氣孔。試驗(yàn)中觀察到的最高溫度結(jié)果見表2。

合金1的最高溫度是最低的,并且變化不大。合金2、合金3和合金4的最高溫度更高,且因?yàn)樵嚇硬煌罡邷囟炔町惡艽蟆＿@些結(jié)果出現(xiàn)的內(nèi)在原因是合金組成、熱處理和鑄造缺陷。

如圖5所示,在2種試驗(yàn)條件下都未能觀察到合金1中的裂紋長(zhǎng)度超過(guò)50μm。這主要因?yàn)楹辖?的最高溫度很低,由熱梯度導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)變也相應(yīng)最低。其他3種合金的裂紋數(shù)量和長(zhǎng)度各異。電流輸入越低,加熱時(shí)間越長(zhǎng)；電流輸入越高,加熱時(shí)間越短。因此,2種試驗(yàn)條件下的最高溫度基本相當(dāng)。試驗(yàn)條件1顯示,多數(shù)裂紋長(zhǎng)度都短于300μm,在合金3和合金4中可以觀察到幾條長(zhǎng)裂紋。試驗(yàn)條件2顯示,合金2具有更長(zhǎng)的裂紋。由于在該研究中僅測(cè)試了幾個(gè)試樣,因此如何判定哪種合金更好,裂紋平均長(zhǎng)度無(wú)法給出有意義的結(jié)論。據(jù)此僅能得出如下結(jié)論：在電流輸入相同的條件下,合金1具有更佳的抗熱疲勞性能。

圖5 每個(gè)試樣在不同試驗(yàn)條件下觀察到的裂紋長(zhǎng)度

表2 不同合金在相同試驗(yàn)條件下的最高溫度

2.2 最高溫度的影響

設(shè)計(jì)試驗(yàn)條件3用于驗(yàn)證如下假設(shè),即合金1在試驗(yàn)條件1和2下觀察到的較低的最高溫度不是合金1具有更佳抗熱疲勞性能的唯一原因。試驗(yàn)條件3中的最高溫度被設(shè)定為280°C。需要注意的是,由于機(jī)械應(yīng)變是由所有熱屬性相互作用決定的,因此,相同的最高溫度無(wú)法確保在測(cè)量段出現(xiàn)相同的機(jī)械應(yīng)變。如圖5(c)所示,合金1仍具有最少量的裂紋且所有裂紋長(zhǎng)度均短于100μm。另一方面,合金2、合金3和合金4具有更多的長(zhǎng)裂紋,最大裂紋長(zhǎng)度可長(zhǎng)達(dá)400μm。結(jié)果顯示,合金1確實(shí)比其他合金具有更佳的抗熱疲勞性能。

3 結(jié)論

為了研究和比較4種鑄鋁合金的熱疲勞性能,開發(fā)了1套新型熱疲勞試驗(yàn)臺(tái),并建立了相關(guān)試驗(yàn)方法。結(jié)果顯示,合金1在所有試驗(yàn)條件下都具有比其他合金更佳的抗熱疲勞性能,成功驗(yàn)證了試驗(yàn)臺(tái)在合金抗熱疲勞性能方面的定性比較能力。本文提出了采用固定電流輸入和固定最高溫度的2種試驗(yàn)方法,且2種方法的試驗(yàn)結(jié)果一致。與其他昂貴的試驗(yàn)過(guò)程相比,該試驗(yàn)可用作成本和時(shí)間相對(duì)高效的合金選擇工具。為確保試驗(yàn)臺(tái)及試驗(yàn)方法的可靠性和適用性,還應(yīng)對(duì)其他合金進(jìn)行深入研究。