發(fā)動機排氣歧管開裂原因分析

陳成奎 陳學(xué)罡 劉柯軍 張煒

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013）

1 前言

排氣歧管是發(fā)動機廢氣的排出通道，內(nèi)部介質(zhì)為高溫廢氣,外部環(huán)境是大氣，高負荷時內(nèi)部溫度迅速升高,而在低速或停車時內(nèi)部溫度又迅速降低，在這種高溫與低溫不斷轉(zhuǎn)換的循環(huán)熱載荷沖擊中，使排氣歧管經(jīng)常發(fā)生熱疲勞失效，一般熱疲勞與零件材料、最低與最高溫度差和零件結(jié)構(gòu)有關(guān)，對于排氣歧管熱疲勞失效原因分析，還要注意高溫氧化對熱疲勞的影響。

某發(fā)動機排氣歧管材料為耐熱鑄鐵RUTSi4Mo，該排氣管在熱循環(huán)臺架試驗進行到550 h后發(fā)現(xiàn)開裂，通過對開裂排氣歧管的失效特征觀察以及對開裂部位的檢驗分析，得出其開裂原因并分析其產(chǎn)生機理。

2 排氣歧管的失效特征

a.發(fā)生開裂的排氣歧管在發(fā)動機上安裝位置見圖1，試驗停止后排氣歧管無法正常拆卸，檢查發(fā)現(xiàn)底部法蘭螺栓孔與螺栓發(fā)生干涉，均為排氣歧管底部兩端的螺栓與底部螺栓孔的外側(cè)邊緣發(fā)生干涉（圖2），如圖箭頭所示，排氣歧管發(fā)生收縮變形。

圖1 排氣歧管在發(fā)動機上安裝位置

圖2 排氣歧管螺栓孔與螺栓干涉

b.排氣歧管開裂發(fā)生在中間內(nèi)凹處見圖1，裂紋沿排氣歧管橫向擴展，長度約45 mm。

c.排氣歧管表面大部分呈暗灰色并且表面凹凸不平見圖1，在排氣歧管內(nèi)凹處（開裂位置）表面還有許多條形褶皺，這些條形褶皺的方向與裂紋的擴展方向一致，即裂紋與條形褶皺近似平行見圖3。

圖3 排氣歧管裂紋處表面形貌

d.排氣歧管內(nèi)凹形設(shè)計是為了避讓螺栓，但會導(dǎo)致在排氣歧管內(nèi)壁存在一個向內(nèi)凸起（圖4），高溫氣體在流經(jīng)凸起時受阻，導(dǎo)致該部位溫度有較大的升高[1]。

圖4 排氣歧管內(nèi)壁凸起形貌

e.人工打開排氣歧管開裂處斷口（圖5），斷口已經(jīng)氧化成灰色，無明顯的塑性變形，斷口不平整，從宏觀形態(tài)看呈現(xiàn)出多源特征。

圖5 排氣歧管開裂斷口

3 理化檢驗

3.1 化學(xué)成分檢驗

化學(xué)成分檢驗結(jié)果見表1，材料合格。

表1 排氣歧管的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） %

3.2 金相組織檢驗

垂直于開裂處表面制取金相試樣，按GB/T 26656—2011《蠕墨鑄鐵金相檢驗》評定，基體檢驗結(jié)果如下。

蠕化率級別為蠕60，見圖6a；基體組織為鐵素體加少量珠光體，碳化物數(shù)量分級為碳3，珠光體數(shù)量分級為珠5，見圖6b，檢驗結(jié)果符合技術(shù)要求。

圖6 排氣歧管金相組織

3.3 硬度

排氣歧管的硬度檢驗結(jié)果為200 HBW，硬度合格。

3.4 氧化層成分分析

排氣歧管表面氧化比較嚴重，有明顯的氧化層見圖7 所示，從表面形態(tài)和顏色看分為四層，標記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。由于Ⅰ氧化物太薄且占比較小，所以只對其它3 種類型氧化物進行能譜分析，分析結(jié)果見圖8、圖9、圖10，由能譜分析可知Ⅱ氧化物的成分是O、Fe 和少量的C；Ⅲ氧化物的成分是O、Fe 和少量的Si、C；Ⅳ氧化物的成分是O、Fe、Si 和少量的Mo、C；根據(jù)文獻[2]可以確定Ⅰ氧化物是Fe2O3，Ⅱ氧化物是Fe3O4,Ⅲ氧化物是FeO，Ⅳ氧化物是FeO+Fe2SiO4層(稱鈍化層)。從這4 層氧化物的占比看，F(xiàn)eO 在氧化層中占比最大，約為1/2，F(xiàn)e3O4次之，在氧化層中約占40%，其它2 種氧化物占比較小，這里不作討論。

圖7 排氣歧管表面氧化層

圖8 Ⅱ氧化物能譜分析結(jié)果

圖9 Ⅲ氧化物能譜分析結(jié)果

圖10 Ⅳ氧化物能譜分析結(jié)果

FeO 形成需要在570 ℃以上和極小的氧分壓范圍內(nèi)，而形成Fe3O4需要的氧分壓介于FeO 和Fe2O3之間[3]。因此排氣歧管表面氧化層從外到內(nèi)的順序是 Fe2O3、Fe3O4、FeO。

3.5 內(nèi)凹處表面氧化層分布規(guī)律

在排氣歧管內(nèi)凹處，按圖11所示將排氣歧管壁沿垂直于裂紋和條形褶皺方向切開，磨拋后在光鏡下觀察見圖12，從截面看排氣歧管內(nèi)凹處呈圓弧狀，在排氣歧管圓弧形截面上有多條氧化溝壑或裂紋，從弧形一側(cè)到弧底處氧化溝壑或裂紋逐漸加長，在弧底處最長的一條裂紋貫穿整個管壁。

圖11 排氣歧管內(nèi)凹處取樣位置

圖12 內(nèi)凹處排氣歧管截面微觀形貌

與氧化溝壑或裂紋相連的氧化層在圓弧形排氣歧管表面呈波浪形起伏，越靠近弧底處起伏幅度越大，且每個波谷下正好對于一個向基體延伸的氧化溝壑或裂紋，每個波峰正好對應(yīng)一個如圖11所示的表面褶皺。

將圖12 中的各個波浪形氧化層放大觀察見圖13，由圖 13 可知 Fe3O4和 FeO 分布特點與 Fe3O4在外層FeO 在內(nèi)層的規(guī)律不完全一致，部分的Fe3O4進入到FeO 層內(nèi)，而且這種進入有一定規(guī)律性，即從弧形的一側(cè)向弧底處，F(xiàn)e3O4在FeO 層中的分布形貌由開始時的圓形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧忓N形，然后又變?yōu)榧氶L的條形，同時Fe3O4的面積也逐漸增大，對應(yīng)的在基體中形成了氧化溝壑不斷加大，溝壑的形狀也從開始較為圓鈍形逐漸向條形的裂紋轉(zhuǎn)變，并不斷向基體擴展，最終貫穿整個排氣岐管壁。圖13e 是形成長2.7 mm 裂紋時內(nèi)部氧化物分布規(guī)律，圖13f 是貫穿管壁裂紋內(nèi)部氧化物分布規(guī)律，此時氧化物呈長條形，可以明顯看到內(nèi)部氧化物中的裂紋。

由于形成Fe3O4的氧分壓高于形成FeO 的氧分壓，在FeO 內(nèi)部形成Fe3O4說明FeO 發(fā)生開裂，有空氣進入。而從圖13 中氧化溝壑或裂紋在基體中形貌看，與氧化溝壑或裂紋尖端接觸的基體均未開裂，說明只是氧化層發(fā)生開裂而基體未開裂。

3.6 氧化裂紋形成原因分析

熱疲勞通常是指金屬材料由于溫度梯度循環(huán)引起的熱應(yīng)力循環(huán)（或熱應(yīng)變循環(huán)），而產(chǎn)生的疲勞破壞現(xiàn)象。本案中排氣歧管熱疲勞開裂與通常的熱疲勞模式不同。

由圖13 可知導(dǎo)致排氣歧管開裂裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展過程是氧化層不斷形成和開裂交替進行并向基體發(fā)展的過程。氧化層開裂是氧化裂紋向基體發(fā)展的前提，由于FeO 和Fe3O4比Fe 的熱膨脹系數(shù)大，尤其在600 ℃以上時差距進一步增大[3]，從高溫向低溫的冷卻過程氧化層收縮受限，因其為硬脆性相，不能變形而開裂。

一方面促使氧化層向基體生長形成氧化裂紋的主要因素是內(nèi)凹處表面的熱應(yīng)力和應(yīng)變，由于Fe 氧化體積會膨脹，由密度是5.7g/cm3的FeO 轉(zhuǎn)化成密度是5.18 g/cm3的Fe3O4[4]，也會產(chǎn)生體積膨脹，排氣歧管內(nèi)凹處表面在高溫時受到較大壓力而變成褶皺形，促使氧化向基體內(nèi)生長，每個褶皺對應(yīng)一個氧化溝壑，最后氧化溝壑發(fā)展成裂紋。越是在弧底處受壓力越大，變形也越大，形成氧化裂紋向基體生長速度也越快。

另一方面當(dāng)排氣歧管冷卻收縮時，由于受到兩側(cè)螺栓限制而產(chǎn)生拉伸塑性變形，又由于排氣歧管是內(nèi)凹形結(jié)構(gòu)，因此塑性變形集中發(fā)生在內(nèi)凹處，使內(nèi)凹處基體發(fā)生較大的塑性變形，而內(nèi)凹處氧化層為脆性相，因不易變形而開裂。進而導(dǎo)致氧氣從裂紋進入到基體表面，當(dāng)下一次高溫時在基本表面又會生成新的氧化層，這個新形成的氧化層在下一次冷卻收縮時會再一次開裂，反復(fù)多次，使氧化裂紋不斷向基體擴展，圖13中所有氧化裂紋尖端的基體處沒有裂紋，也說明排氣歧管表面裂紋的形成是氧化層不斷形成和開裂的結(jié)果。

4 結(jié)論

a.通過對排氣歧管裂紋及氧化層的形貌特征、變化規(guī)律分析得出排氣歧管開裂為熱疲勞開裂，與通常的熱疲勞模式不同，這里的熱疲勞指的是氧化層不斷形成和開裂的交替進行并向基體生長，進而形成熱疲勞裂紋，最終導(dǎo)致排氣歧管發(fā)生開裂。

b.排氣歧管開裂發(fā)生在避讓螺栓的內(nèi)凹形結(jié)構(gòu)部位，該內(nèi)凹形結(jié)構(gòu)對排氣歧管抗熱疲勞開裂有兩個不利影響，一是在工作中內(nèi)凹形結(jié)構(gòu)局部承受氣流的沖擊會產(chǎn)生較高的溫度場，增大高溫氧化和熱膨脹變形量；二是這種內(nèi)凹形局部抗變形結(jié)構(gòu)剛性較低，是排氣歧管在熱沖擊的溫度變化過程中的應(yīng)變集中區(qū)，促進了熱疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展。