1、结合具体事例分析汽车发动机连杆的疲劳失效结合具体事例分析汽车发动机连杆的疲劳失效研究课题论文院 系: 机电工程学院 专 业: 材料科学与工程 学 号: 学生姓名: 指导教师: 宋玉强 目录工程材料单向静拉伸条件下力学性能的研究 1一、 基本知识 11.1连杆 11.1.1连杆结构 11.1.2 连杆制造工艺 21.1.3 连杆受力分析：有限元计算 41.1.4 钢锻连杆使用材料 51.2疲劳失效机理 51.2.1 静力破坏 51.2.2疲劳特点 61.2.3 过程机理 61.2.4 疲劳力学性能指标 71.2.5疲劳强度测试 7二、 汽车发动机连杆的疲劳失效事例分析 82.1事例1 小型轿车发
2、动机连杆断裂失效分析 82.1.1检验设备及方法 92.1.2 连杆断裂原因及分析 92.1.3 分析与讨论 102.2 事例2 客车柴油机连杆断裂失效分析 112.2.1 试样 112.2.2连杆加工工艺 112.2.3试样检验与分析 112.2.4疲劳寿命计算 132.2.5连杆失效分析与讨论 13三 总结 14四参考文献 16摘要: 连杆是车用发动机的重要部件，从对车用发动机的失效历史数据的分析来看，连杆的失效概率非常高，而且其失效模式与失效原因具有多态性，其本身结构的复杂性、制造工艺、热处理工艺、工况的恶劣程度、使用频率、以及设备维护、维修等因素均可能造成失效。在探寻连杆失效原因方面，
3、常常采用显微硬度机、光学显微镜和扫描电子显微镜等分析手段，从组织结构方面对连杆失效原因进行分析；或采用运动学和动力学相结合的分析方法，模拟分析连杆的工况，从疲劳失效方面寻找造成失效的原因。通过对实际失效样本的分析，从统计的角度对发动机连杆外反馈可靠性信息进行统计分析，寻找其失效规律，通过对具体失效样本的分析，找到连杆失效的更深层次原因。1关键词: 汽车; 发动机;连杆 ; 疲劳 ; 失效 ; 影响因素 Abstract: A failure data analysis method for the connecting rod of anengine is proposed based on
4、the analysis of accumulated failure dataBy using this method，the fault law and fault mechanism is determined. The external feed back reliability information of the connectin grod，including product model，assembling time，first using time，report time，failure phenomenon，failure mode，and so on，were analy
5、zed to find the failure law by using statistics and Weibull analysis methodThe fault mechanism is found through the analysis of the organization structure，material properties，process features，heat treatment process and other reliability information of the fault sampleKeywords: connecting rod；fault d
6、ata；weibull analysis；fault mode工程材料单向静拉伸条件下力学性能的研究一、 基本知识1.1连杆连杆（connecting rod）定义：连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件。作用：作为曲柄连杆机构的重要组成部分将燃料燃烧的热能转换为机械能，将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并将能量传输出去。汽车发动机曲柄连杆机构的组成：1. 机体组：气缸体、曲轴箱、油底壳、气缸套、汽缸盖和汽缸垫；2. 活塞连杆组：活塞、活塞环、活塞销和连杆等；3. 曲轴飞轮组：曲轴、飞轮、减震器。 图1 活塞连杆组 图2 曲轴飞轮组1.1.1连杆结构发动机连杆为模锻件，
7、由连杆小头、杆身和连杆大头三部分组成。连杆大头是分开的，一半为连杆盖，另一半与杆身为一体，通过连杆螺栓连接起来。连杆大头孔内分别装有轴瓦。由于连杆体与连杆盖的结合面是与大、小头孔中心连线倾斜，故称为斜剖式连杆。连杆小头装有青铜衬套，通过活塞销与活塞连接。连杆大头是可分开式，内装半圆形轴瓦，大头与曲轴连杆轴连。 （1）连杆小头 连杆小头与活塞销连接呈浮式结构，发动机工作时活塞销与连杆小头可以相对自由转动，因此沿销的长度方向和圆周方向的磨损比较均匀。为提高摩擦副的耐磨性，连杆小头内孔压入青铜衬套。青铜衬套分为两段，分别从小头的两端压入。小头的顶上有一个集油孔，当曲轴旋转时，激溅起来的机油甩到活塞内
8、腔的顶部，冷却活塞后，落下一部分通过集油孔聚集并流入连杆的小头内孔润滑活塞销。 （2）杆身 发动机为了在最小质量时最大的强度和刚度，连杆杆身断面加工成“工”字形。 （3）连杆大头 连杆通过大头与曲轴上的连杆轴颈相连，连杆大头为分开式，采用简单的平口结构形式。连杆大头轴承盖固定螺母为自锁型螺母，其拧紧力为100120N.m图3 典型汽车发动机用连杆结构示意图1.1.2 连杆制造工艺1. 连杆的机械加工工艺过程铣连杆大、小平面 粗磨大、小头平面 加工小头孔 铣大头两则面 扩大头孔 铣开连杆体和盖 加工连杆体 铣、磨连杆盖结合面 铣、钻、镗连杆总成体 粗镗大头孔 大头孔两端倒角 精磨大小头两平面 半
9、精镗大头孔及精镗小头孔 精镗大头孔 镗小头孔衬套 珩磨大头孔 连杆的检验。2. 连杆的机械加工工艺过程分析连杆本身的刚度比较低,在外力作用下容易变形;连杆是模锻件,孔的加工余量较大,切削加工时易产生残余应力。有残余应力存在,就会有变形的倾向。因此，在安排工艺过程时，应把各主要表面的粗、精加工工序分开。这样，粗加工产生的变形就可以在半精加工中得到修正；半精加工中产生的变形可以在精加工中得到修正，最后达到零件的技术要求。如大头孔先进性粗镗，连杆合件加工后半精镗大头孔，精镗大头孔。在工序安排上先加工定位基准，如端面加工的铣、磨工序放在加工过程的前面。连杆工艺过程可分为以下三个阶段：1粗加工阶段粗加工
10、阶段也是连杆体和盖合并前的加工阶段：基准面的加工，包括辅助基准面的加工；准备连杆体及盖合并所进行的加工，如两者对口面的铣、磨等。2半精加工阶段半精加工阶段也是连杆体和盖合并后的加工，如精磨两平面，半精镗大头孔及孔口倒角等。总之，是为精加工作准备阶段。3精加工阶段精加工阶段主要是最终保证连杆主要表面大、小头孔全部达到图纸要求的阶段，如珩磨大头孔、精镗小头孔轴承孔等。3. 材料与热处理工艺连杆材料一般采用45钢或40cr、45Mn2等优质钢或合金钢，近年来也有采用球墨铸铁的（粉末冶金）。钢制连杆都用模锻制造毛坯。连杆毛坯的锻造工艺有两种方案：将连杆体和盖分开锻造；连杆体和盖整体锻造。整体锻造或分开
11、锻造的选择决定于锻造设备的能力，显然整体锻造需要有大的锻造设备。从锻造后材料的组织来看，分开锻造的连杆盖金属纤维是连续的，因此具有较高的强度；而整体锻造的连杆，铣切后，连杆盖金属纤维是断裂的，因而消弱了强度。整体锻造要增加切开连杆的工序，但整体锻造可以提高材料的利用率，减少结合面的加工余量，加工时装夹也较方便。整体锻造只需一套锻模，一次便可锻成，也有利于组织和管理生产。故一般只要不受连杆盖形状和锻造设备限制，均尽可能采用连杆的整体锻造工艺。毛坯锻模后应正火并校直。毛坯要经过调质热处理（加工量大时最好在粗加工后进行调质处理）。其规范为：（1）升温，880，保温90分。（2）淬火，在浓度为1/10
12、00的聚乙烯醇水溶液中进行，淬火硬度HRC50。（3）回火升温580，保温120分，在空气中冷却。（4）检查检查机械性能及变性量。变形量在35毫米时允许整形以保证图纸要求，但整形后必须经消除内应力的热处理。酸洗后要对毛坯进行喷丸处理。表面喷丸是利用机械敲击产生表面残余压应力来强化机件，可以显著地提高零件的疲劳强度。合金结构钢经表面喷丸强化后其疲劳极限能提高4050。喷丸还可以提高表面硬度和耐磨性，降低应力集中敏感性，消除毛坯表面轻微脱碳的不利影想。因此，喷丸处理是一项十分有效的工艺措施。连杆毛坯也可采用整体精密模锻工艺，连杆小头孔不予锻出，其目的为了减小在钻削小头孔时刀头偏离现象带来的加工难度
13、。连杆大头孔结构为椭圆状，如图4所示，其目的是为杆盖切离后，连杆大头孔因铣削缩短了杆盖之前的实际距离，使其接近圆以减小工作强度。2图4 1.1.3 连杆受力分析：有限元计算1. 有限元法的基本概念有限元法(FiniteElementMethod，简称FEM)是一种数值离散化方法，根据变分原理求其数值解。因此适合于求解结构形状及边界条件比较复杂、材料特性不均匀等力学问题能够解决几乎所有工程领域中各种边值问题(平衡或定常问题、动态或非定常问题)，如:弹性力学、弹塑性问题疲劳与断裂分析、动力响应分析、流体力学、传热、电磁场等问题。有限元法的基本思想是:在对整体结构进行结构分析和受力分析的基础上，对结
14、构加以简化，利用离散化方法把简化后的边界结构看成是由许多有限大小、彼此只在有限个节点处相连接的有限单元的组合体。然后，从单元分析人手，先建立每个单元的刚度方程，再用计算机对平衡方程组求解，便可得到问题的数值近似解。用有限元法进行结构分析步骤是:结构和受力分析一离散化处理一单元分析一整体分析一引人边界条件求解。32. 连杆受力分析及有限元法对连杆高速运动中的受力状况进行理论分析，需结合有限元软件ANSYS对活塞连杆进行三维准静态有限元分析研究，计算模型与实际结构、工作状况相符；采用接触算法，以理论分析为依据，模拟分析为手段，找出导致连杆失效的主要因素。活塞连杆组的运动状况如图5所示。其中，小头端
15、随活塞组做往复直线运动，大头端绕曲柄销做旋转运动，杆身部分为往复运动和摆动所合成的复合运动；连杆的受力情况较为复杂，在其杆身的每一个截面上都会有弯矩、剪力和法向力，但弯矩和剪力都不大，杆身的主要载荷是交变的拉压负荷。4图5 活塞连杆组的运动柴油机活塞连杆组的运动极不均匀，伴随着很大的加减速度，产生超重上千倍的惯性负荷，对连杆的强度和耐久性影响很大，并导致振动和噪声。这些惯性负荷主要有：活塞组件往复运动所产生的往复惯性力，曲轴不平衡回转质量回转运动所产生的离心力，连杆运动所产生的惯性力。5受计算机技术限制，以往的连杆有限元分析计算一般是将连杆计算模型简化成二维平面问题来处理。近年来随着计算机技术
16、的发展，计算机的计算能力越来越大，连杆计算越来越多采用三维有限元分析。三维有限元分析时因单元数量多，计算量庞大，资源占用严重，所以通常连杆分析模型一般不包括活塞销和连杆轴颈，连杆受力是通过加在连杆大、小头孔内表面的载荷来简化计算分析。模型简化会给建立模型、划分网格、分析计算等过程带来方便，所需的计算资源减少，但同时带来的问题是简化处理过多会影响计算结果精度。接触问题是有限元分析中的一个难点。因为连杆与活塞销、曲轴等零件相互作用组成一个受力系统，每个零件间的接触表面有力的相互作用。采用接触分析法能最大限度地模拟连杆与活塞销、曲轴间的关系。61.1.4 钢锻连杆使用材料碳素钢和合金钢国内一般中、小
17、型汽油机及柴油机连杆采用的传统材料是碳素调质钢和合金调质钢，通常小功率的发动机采用碳素调质钢，大功率的发动机采用合金调质钢。碳素钢中碳的质量分数为：0.40%0.55%；合金钢主要添加的合金元素是铬、锰、钼、硼等，可单独添加或复合添加。3碳素钢连杆的调质硬度一般在229269HBS，合金钢连杆的调质硬度可达到300HBS，但最高不超过330HBS，这主要是考虑后续的机械加工。调质连杆具有足够的强度和塑性，一般碳素钢抗拉强度可达到800MPa以上，冲击韧度在60J/cm以上；合金钢调质钢抗拉强度可达到900MPa以上，冲击韧度在80J/cm以上，可满足连杆的可靠性要求。调质钢连杆的制造工序是，棒
18、料经过剪切，热锻成形，调质处理，强力喷丸、机械加工，装配和检测。非调质钢非调质钢的强化机理是在中碳钢的基础上添加钒、钛、铌等微合金元素，通过控制轧制或控制锻造过程的冷却速度，使其在基体组织中弥散析出碳、氮的化合物使其得到强化。非调质钢省略了锻后的热处理，从而节省了能源，减少了生产工序，降低了成本。另外，由于省略了调质工序，避免了零件在热处理工序中产生的淬火裂纹和变形等一系列的质量问题，对提高产品质量有一定的好处。非调质钢按其强韧可以分4类（如表1）其中基本型和高强度型适用于发动机连杆。粉末烧结粉末烧结锻造工艺在20世纪60年代就已出现。当时，美国、日本及欧洲的一些国家均进行了大量的试验研究工作
19、。由于当时金属粉末的种类极少，又受到成本的限制，发展不快。随着金属粉末、合金粉末的开发及相关工业的发展，粉末烧结锻造工艺也相应的得到发展，并且逐渐的应用到汽车结构件的制造之中。1.2疲劳失效机理定义：金属疲劳是指材料、零构件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。 当材料和结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料和结构的破坏现象，就叫做金属的疲劳破坏。1.2.1 静力破坏疲劳破坏与传统的静力破坏有着许多明显的本质区别
20、:1. 静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏:疲劳破坏是多次反复载荷作用下的破坏，它不是短期内发生的，而是要经历一定的时间，甚至很长时间才发生破坏。2. 当静应力小于屈服极限或强度极限时，不会发生静力破坏;而交变应力在远小于静强度极限，甚至小于屈服极限的情况下，疲劳破坏就可能发生。3. 静力破坏通常有明显的塑性变形产生:疲劳破坏通常没有外在宏观的显著塑性变形迹象，哪怕是塑性良好的金属也这样，就像脆性破坏一样，事先不易觉察出来，这就表明疲劳破坏具有更大的危险性。1.2.2疲劳特点1. 疲劳为地应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂，其断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至屈服强度。2. 疲劳为脆性断裂
21、，由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低，所以不论是韧性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前均不会发生塑性变形及有型预兆。3. 疲劳对缺陷十分敏感，由于疲劳破坏是从局部开始的，所以它对缺陷具有高度的选择性。1.2.3 过程机理疲劳过程包括疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及最后失稳扩展三个阶段，其疲劳寿命Nf由疲劳裂纹萌生期Ni和裂纹亚稳扩展期Np所组成。疲劳裂纹萌生主要包括：1. 滑移带开裂产生裂纹，金属在循环应力长期作用下，即使是应力低于屈服应力，也会发生循环滑移并形成循环滑移带。2. 相界面开裂产生裂纹，很多疲劳源是由材料中的第二相或夹杂物引起的，便提出了第二相、夹杂物和基体界面开裂，或第二相、夹杂物本身
22、开裂的疲劳裂纹机理。3. 晶界开裂产生裂纹，多晶体材料由于晶界的存在和相邻晶粒的不同取向性，位错在某一晶粒内运动会受到晶界的阻碍作用，在晶界处发生位错塞积和应力集中现象。在应力不断循环下，晶界处得应力集中得不到松弛，应力峰越来越高，当超过晶界强度时就会在晶界处产生裂纹。7图6 各类疲劳断口形态的示意图1.2.4 疲劳力学性能指标疲劳缺口敏感度、应力比、疲劳裂纹扩展门槛值、应力场强度因子范围、最大载荷、最小载荷、平均应力、应力幅、保持时间、疲劳寿命、疲劳极限、理论应力集中系数、疲劳缺口系数、疲劳裂纹扩展速率、累积循环次数。1.2.5疲劳强度测试1. 试验设备连杆疲劳试验在液压伺服疲劳试验机上进行
23、。液压伺服疲劳试验机采用液压方式加载，加载过程中对试样无冲击，也允许试样装夹时存在间隙，但是试验频率较低，一般不高于30Hz，因而试验周期较长。2. 装夹方式在工况下，连杆小头孔与活塞销之间一般为间隙配合且有润滑油并带有衬套。在疲劳试验过程中，连杆的装夹方式应尽量模拟连杆实际工作中的受载环境，并加注润滑油。在使用高频疲劳试验机进行试验时，由于试验设备要求连杆小头孔与销之间必须采用过盈配合，所以连杆小头孔与活塞销之间不能加注润滑油，连杆孔在试验过程中的受载情况与实际工况有较大差别，影响了试验结果。图7 液压伺服疲劳试验机上连杆装夹方式在使用液压伺服疲劳试验机进行试验时，用连杆夹具固定连杆大头和小
24、头（如图7），大头用尺寸与曲轴连杆轴颈相同的大头销替代，小头孔与活塞销可采用间隙配合方式连接。3. 试验方法目前，连杆疲劳试验规范一般执行行业标准或企业标准。按加载方式不同来分，常见的试验加载方式有如下两种。1）恒定负荷比法恒定负荷比法是在试验加载时，保持负荷比Rf不变，用名义负荷中的最大压力和最大拉力乘以一个安全系数来确定试验载荷。2）恒定最大压力法恒定最大压力法是在试验加载时，用发动机的最大超转速乘以一个系数，然后由此确定出试验过程中的最大压力，而试验载荷中的拉力用连杆名义负荷中的最大拉力乘以一个安全系数来确定。4. 疲劳试验流程1）确定加载方式根据连杆设计部门对连杆的要求，确定适当的加载
25、方式。2）确定试验样品试验样品必须是完整的连杆总成，包括连杆、连杆盖、连杆螺栓、连杆轴瓦以及衬套。根据试验方法确定所需样品数量。用成组法确定连杆的S-N曲线时，为了保证疲劳试验的可靠性，同时考虑试验周期不能太长，需要在45个应力水平下进行试验，每个应力水平试验46个试样，一般需要2530个试样。用升降法确定连杆的疲劳极限，一般需要10个试样。在进行疲劳试验前，需要对试验连杆进行常规检验，以确定试验连杆负荷技术条件要求。试验样品必须明确其在设计过程或生产过程中所处的具体环节。3）试验数据及处理通过进行疲劳试验，可以得出试验连杆在一系列载荷下的疲劳寿命，并可以确定出在各个载荷下的破坏情况。利用P-
26、S-N曲线法估算疲劳极限时，可分别求出存活率(P)为99.9%、95%和50%的P-S-N曲线。以某型连杆为例进行试验数据处理。根据试验所得的数据，以载荷对数值lgS为纵坐标、寿命对数值lgN为横坐标，在不同的存活率下按直线拟合出对数P-S-N曲线（如图8），通过P-S-N曲线，可以求得不同存活率下的疲劳极限载荷值Sr和安全系数Ks（如表2）。图8 某连杆的P-S-N曲线表2某连杆的疲劳极限载荷值Sr和安全系数Ks4）试验结果评价通过对连杆进行疲劳试验，可以确定出连杆的薄弱部位，同时可以确定出试验连杆的安全系数。5. 寿命预测根据疲劳裂纹扩展速率表达式，用积分法算出疲劳裂纹扩展寿命Np，也可以
27、算出带裂纹或缺陷机件的剩余疲劳寿命。对于机件疲劳寿命的估算，一般先用无损探伤的方法确定机件初始裂纹尺寸、形状位置和取向，从而确定K的表达式K=Ya，再根据材料的断裂韧度K1c及工作名义应力，确定临界裂纹尺寸，然后根据实验确定的疲劳裂纹扩展速率表达式，最后用积分方法计算从到所需的循环周次，即使疲劳剩余寿命。二、 汽车发动机连杆的疲劳失效事例分析2.1事例1 小型轿车发动机连杆断裂失效分析某轿车在投入使用6 个月后，在一次行驶途中，发 动机连杆突然发生断裂，导致发动机缸体损坏。该连杆设计材质为 U20702 钢，在杆部断裂。2.1.1检验设备及方法采用 QUANTA-400 型扫描电镜对失效连杆断
28、口 进行形貌观察分析。从连杆断口附近切取试样进行抛 光， 经4%HNO3 酒精溶液腐蚀后，用 LEICA DMI5000M 光学显微镜观察其显微组织。连杆的化学成分采用化 学粉末法进行分析。2.1.2 连杆断裂原因及分析1. 断口宏观观察连杆断裂部位在其大头与杆身的过渡区的杆部位置( 见图9) ，连杆断口呈灰白色，断口宏观形貌呈纤维 状，具有韧性断口形貌特征。观察断口面形貌可确定， 断裂是从杆身断口面一侧边角部向另一侧边部辐射扩 展开裂，最终导致完全断裂，具体形貌见图10。 图9 断裂连杆的宏观形貌 图10 断口表面的宏观形貌Fig 1 Photo of the rupture connect
29、ing rod Fig 2 Photo of the fracture surface2. 断口扫描电镜微观观察 将断口放入扫描电镜进一步观察，整个断口呈 韧窝状微观形貌特征。断裂源区位于断口起始一侧边缘，局部区域出现贝壳纹状的弧状条带，具体位 置及形貌见图 (a)，瞬断区韧窝状微观形貌见图(b)。弧状条带所指弧心位置表明断口起裂于边部，并具有 疲劳断裂形貌特征。 图11 断裂源区形貌（a） 低倍；（b）高倍3. 化学成分分析对连杆的化学成分进行分析，结果见表3。可见 其化学成分符合原设计 GB/T 6991999优质碳素结 构钢标准中 U20702 材质的成分要求。表3 连杆的主要化学成分(
30、 质量分数，%)4. 金相实验在连杆断口位置附近截取金相检验试样，按 GB/ T 105612005钢中非金属夹杂物含量的测定标准 进行评定。试样中硫化物( A 类) 为 3 0 级，氧化物 ( B 类) 0 5 级、氧化物( D 类) 1 0 级，所检结果夹杂物 符合设计规定的纯净度要求，表明材料无明显的冶金 缺陷。连杆试样的基体组织为珠光体 +网状铁素体 + 少量屈氏体，按 GB/T 63942002金属平均晶粒度测 定法标准评定网状铁素体晶粒度为5 级，见图 11。在 试样组织边部起裂源位置发生明显的脱碳现象，按 GB/T 2242008钢的脱碳层深度测定法标准进行 评定总脱碳层深度约为
31、0 12 mm，具体形貌见图 12。组织中表面脱碳、屈氏体以及网状铁素体的存在，降低了连杆的疲劳性能。 图11 基体的显微组织形貌 图12 试样边部的脱碳层形貌2.1.3 分析与讨论发动机连杆在工作时受到压缩、拉伸和弯曲等交变负荷的复杂作用。失效连杆化学成分符合微合金化非调质钢。这种钢采用热成型后，通过控制冷却的方法，来获得细晶强化和析出强化的非调质(不经过淬火及高温回火热处理)组织:珠光体 +铁素体，从而得到符合使用性能要求的材料。而失效连杆的显微组织为珠光体 +网状铁素体 +少量屈氏体及表面脱碳组织，这种组织造成连杆疲劳性能明显降低，形成零件本身质量的缺陷。首先，失效连杆表面发生氧化脱碳，形成较软的硬度质点，降低了连杆的疲劳性能。在工作过程中，受到交变负荷的不断作用下，在连杆高应力区域的脱碳表面就极易形成贝纹状的疲劳断裂源，产生最初的起始开裂。另外，连杆基体中存在大量网状铁素体组织，也会降低材料本身的强韧性，并在开裂过程中成
