汽車發動機進油管支架疲勞斷裂分析

孔德群

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

0 引言

疲勞斷裂引起的構件失效可占到機械構件破壞的80%以上[1]。在高速行駛過程中，汽車零部件的疲勞問題也日益突出，發動機零部件失效占比可達41%[2]。比如表面劃傷引起的傳動軸斷裂[2]，MnS 夾雜物引起曲軸油道內壁扭轉疲勞開裂[3]，排氣管支架出現的焊接螺母疲勞開裂問題[4]。疲勞斷裂已成為汽車發動機零部件失效的主要形式，應當從結構設計、材料加工質量等方面引起足夠的重視，避免不必要的疲勞斷裂，保障行車安全。

作為油路系統的支撐件，油管支架通常以螺栓連接方式安裝在發動機或轉向器等關鍵功能部位，其性能與質量將直接影響整個油路系統的穩定性和服役壽命，例如汽車轉向高壓油管支架倒角處的應力集中位置在不規律載荷的長期作用下可產生疲勞失效[5]。油管支架應進行合理的結構優化設計，嚴格控制原材料冶金質量，同時還應注重工件表面質量的要求，比如某底盤前軸管總成的碳素結構鋼油管支架明確要求不允許有皺紋、波紋、劃傷等表面缺陷[6]。折疊類缺陷是一種常見的鋼板邊部變形缺陷[7]，然而鮮有研究報道折疊類表面缺陷對油管支架疲勞壽命的影響。

本研究以發動機進油管支架為研究對象，置于臺架平臺進行振動試驗直至發生斷裂，分析支架折疊類表面缺陷對早期疲勞斷裂的影響，以制定合理的優化改進措施。

1 試驗過程與結果

進油管及支架材質均為低碳鋼，其中支架材料為DC01。支架在U 型豁口B 側進行90°折彎處理，而進油管也在相對應位置附近進行90°折彎，支架U 型豁口的A、B 兩側分別與進油管經軟釬焊工藝連接在一起，二者表面再進行鍍鋅處理（圖1）。發動機裝配時將進油管通過支架的螺栓孔用螺栓連接固定。平臺試驗時該支架處于機械振動引起的循環應力狀態，試驗進行35 h 后發現進油管及其支架開裂。現場重復性實驗證實，支架先于進油管產生裂紋與斷裂，支架斷后產生較大的宏觀扭曲變形，之后油管發生被動破壞。支架表面目視可見宏觀裂紋，支架的開裂部位均為靠近折彎側的U 型豁口轉角（圖1 中的B 側），而進油管的開裂位置則不固定，處于釬焊區與進油管折彎處之間的范圍。

圖1 開裂的進油管及支架Fig.1 Cracked oil inlet and bracket

采用Keyence VHX-1000 型超景深三維光學顯微鏡對支架斷口進行宏觀體視學觀察，然后使用Quanta FEG650 型掃描電鏡進行斷口分析；使用Spectro Max 型直讀光譜儀和Eltra CS800 型碳硫分析儀進行化學成分檢測；在支架斷裂位置取樣制備縱剖面金相試樣，進行磨拋處理，拋光后或者經4%（質量分數）硝酸酒精浸蝕后，使用Zeiss Axio Imager M2m 型顯微鏡進行金相分析。

1.1 斷口宏觀觀察

體視學觀察發現，支架斷口較為平齊，斷面有金屬光澤；支架斷口裂紋源區位于靠近折彎側（圖1所示B 側）的U 型豁口根部表面，為線源起裂，擴展區呈放射狀（圖2）。

圖2 支架斷口形貌Fig.2 Fracture morphology of the bracket

1.2 斷口微觀觀察

掃描電鏡觀察發現，裂紋源區呈磨損形貌（圖3a）；裂紋擴展區局部呈磨損形貌，發現疲勞條帶的形貌特征（圖3b）；斷面未見明顯的材料缺陷，斷口附近未見明顯的腐蝕痕跡或氧化現象。

1.3 化學成分分析

光譜分析與碳硫分析的結果顯示，支架的化學成分均符合冷軋低碳鋼板DC01 的材料規范要求（GB/T 5213—2008）。

1.4 金相檢驗

根據斷口分析的結果，可推斷支架的失效為振動疲勞引起的斷裂。通過在不同的支架取樣做金相檢驗，并在特征區域輔以掃描電鏡能譜分析，進一步探究疲勞裂紋的起源。

圖3 斷口微觀形貌Fig.3 Fracture morphology

1）在支架斷裂處取樣，經鑲嵌與磨拋處理后使用顯微鏡觀察其微觀特征。圖4 顯示支架的主裂紋及其兩側的形貌特征，其中一側存在若干微裂紋與二次裂紋，而這些裂紋均位于支架U 型豁口的折彎一側。

進一步觀察發現，支架U 型豁口機加工表面存在較多的折疊類缺陷，且被鍍鋅層包覆著。主裂紋起始端殘存少量鍍鋅層，這表明表面缺陷是在鍍鋅處理之前就已經存在（圖5a）；主裂紋附近有1 條微裂紋，該裂紋起源于表面缺陷尖端（圖5b）。這表明支架U 型豁口處的疲勞裂紋與表面折疊類缺陷有關，且易于在缺陷的應力集中處（即尖端）形成裂紋源。

圖4 支架主裂紋的磨拋態形貌Fig.4 As-polished appearance of the main crack of the bracket

圖5 表面缺陷及裂紋Fig.5 Surface defects and cracks

浸蝕后觀察可知，支架的金相組織為鐵素體+極少量珠光體（圖6），符合材料規范要求。圖6中標出主裂紋附近微裂紋的擴展前沿，可以看出裂紋以穿晶方式進行擴展。

圖6 微裂紋擴展前沿的金相組織Fig.6 Microstructure of propagation front of small crack

2）在同一批次來料的未試驗件與試驗件抽檢中，支架的直角折彎處的內外兩側表面均未發現任何裂紋，可排除冷彎加工引起原始裂紋的可能性。

3）在同一批次來料的未試驗件抽檢中，發現支架U 型豁口同樣位置（靠近折彎側的U 字轉角）也存在該類型的表面缺陷（圖7a）；另外，在同一批次來料的試驗后支架的同樣位置也發現類似的表面缺陷（圖7b）；該工件表面雖目視未見任何裂痕，但微觀觀察發現在表面缺陷的根部位置萌生微裂紋。對圖7b 的特征位置進行能譜分析，Zn 元素面掃描的結果顯示，Zn 元素僅存在于支架表面及折疊缺陷的開口表面，說明表面缺陷在鍍鋅處理之前就已存在（圖7c）；同時確認Zn 元素未沿微裂紋滲入支架亞表層，進一步排除微裂紋在鍍鋅處理前產生的可能性。

4）使用化學溶劑溶去支架表面的鍍鋅層后，使用超景深三維光學顯微鏡觀察U 型豁口處的表面形貌。機加工表面異常粗糙，存在較為明顯的刀痕紋路（圖8），又因鋼板的硬度特別低（≤HV 95），加工表面極易形成冷加工折疊缺陷。這與前述拋光試樣的金相檢驗結果吻合。

2 分析與討論

圖7 同批次支架的表面缺陷Fig.7 Surface defects of brackets from the same batch

圖8 U 型豁口處機加工表面溶去鍍鋅層后的形貌Fig.8 Morphology of as-machined surface at rounding U-notch zone after the zinc coating is dissolved

本研究對象屬于復合型應力集中[8]的特殊案例，進油管支架的U 型豁口本身就因幾何結構特點即存在應力集中，而U 型豁口的根部表面還存在開口型的折疊類缺陷，進一步加劇應力集中效應。若單從考慮局部應力集中的角度來研究缺口引起的應力，在單軸拉伸載荷下，假定薄扁平狀構件帶有淺缺口，底部邊緣與缺口有較大距離，則淺缺口的應力集中因子Kt僅是缺口深度t 和曲率半徑r 的函數，可表示為：

由此可見，缺口深度越大，曲率半徑越小，應力集中因子越大，應力集中效應越明顯。反之，若降低應力集中因子，則需減小缺口深度，增大曲率半徑。支架的U 型豁口具有較大的應力集中因子，如果將之改為臥式C 型豁口，將會增大缺口底部的曲率半徑，應力集中因子則顯著降低。

發動機工作時支架承受循環的彎曲疲勞載荷，U 型豁口表面具有較高的應力集中因子，因而易在該位置形成疲勞裂紋源。在遠低于拉伸屈服應力的振動載荷下，支架表面缺陷處的表層鐵素體晶粒內部沿最大剪切應力方向進行滑移而產生微觀塑性變形，使該晶粒內部形成顯微裂紋[9]。在疲勞載荷反復作用下，高應力局部附近平面開始萌生裂紋[10]，并具有穿晶的特征[11]。這與金相檢驗結果是吻合的。從裂紋擴展基礎理論來分析，發動機運轉過程中，支架承受的循環載荷可提供裂紋尖端塑性變形和產生新的斷裂面所吸收的能量，而且裂紋尖端應力場在本質上確保有足夠的應力，即同時滿足裂紋擴展的熱力學準則和應力準則這2 個條件[12]。每個應力加載與卸載循環均造成裂紋尖端不可逆的塑性變形，其結果是疲勞裂紋在支架的延性鐵素體中向前擴展，且呈現疲勞條帶的特征。

3 改進措施

根據對支架疲勞斷裂的失效分析，對支架做出如下改進：

1）應重視支架產品表面質量控制及檢驗[13-14]，對表面不連續缺陷的面積、深度、數量制定嚴格的要求，應確保無起皮、銹斑、折疊、分層和針眼等有害缺陷。

2）優化結構設計，減小豁口處的應力集中因子，由U 型豁口改為臥式C 型豁口。

3）改進豁口加工的工藝，避免粗放式加工，改為精細加工，確保機加工表面無較深的刀紋痕跡及局部微觀折疊缺陷，同時進一步改善加工面的粗糙度。

據此進行針對性改進后，極大降低應力集中效應，增強支架的表面質量，提高支架的使用性能，無類似斷裂失效發生。

4 結論

1）支架的化學成分與金相組織均符合材料要求。

2）支架均起斷于U 型豁口處應力集中部位，結構設計不良造成應力集中是支架早期疲勞斷裂失效的主導因素。

3）在應力集中引起的高載荷循環作用下，支架U 型豁口處表面的冷加工折疊類缺陷萌生疲勞裂紋源，裂紋不斷擴展至終斷。

4）通過針對性地優化結構設計與控制鋼板表面質量，可避免進油管支架的早期失效。