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發(fā)動機(jī)連桿失效分析

文檔作者：張進(jìn) 趙曉博陶世杰姜江張金芳徐景峰文檔來源： 1．山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2．濰柴動力股份公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年05月09日
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2010年第4期
2010年 8月
鑄造設(shè)備與工藝
FOUNDRY EQUIPMENT AND TECHNOLOGY
· 應(yīng)用研究·
發(fā)動機(jī)連桿失效分析
張進(jìn) ．一，趙曉博 ，陶世杰 ，姜江 ，張金芳 ，徐景峰
(1．山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 東濟(jì)南250061；2．濰柴動力股份公司，山東濰坊261041)
摘要：根據(jù)253 kW(340馬力)的柴油發(fā)動機(jī)連桿發(fā)生失效斷裂的實(shí)際情況，采用宏觀斷口分析、微觀斷口
分析、金相組織及夾雜物的成分分析的試驗(yàn)方法，對試樣的金相組織和斷口形貌進(jìn)行分析，研究造成失效斷裂的
主要原因。同時(shí)采用Paris公式估測了失效連桿的疲勞壽命。分析結(jié)果表明發(fā)動機(jī)連桿生產(chǎn)制造過程中必須嚴(yán)格
控制鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量、尺寸和形態(tài)，夾雜物的等級應(yīng)控制在1級以內(nèi)；并且要制定合理的熱處理方案，
防止過深的脫碳。
關(guān)鍵詞：連桿；失效分析；非金屬夾雜；疲勞壽命；Paris公式
中圖分類號：TG144 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674—6694(2010)04—0039-04
Failure Analysis of Engine Connecting Rod
ZHANG Jin1,2 ZHAO Xiao-bo ，TAO Shi ，JIANGjiang ，ZHANG Jin 2 XU Jing-feng
(1．Mmerials Science and En~needng School in Shandong University，Jinan Shandong 250061，China；
2．Weieh~Power CompanyLimited，We~angShandong 261041，China)
Abstract：Based on practical failure status of connecting rod on diesel engine of 340 horsepower，this article researches the main
causes through analyzing sample S metallographic elements and fracture surface with experimental method，such as macro—fracture
analysis，micro-fracture analysis，metallographic elements and inclusion compositions．At the same time it also estimates the fatigue
life of connecting rod using the Paris Equation．Analyzing result shows that：(1)nonmetallic inclusion should be very strictly controlled
within Class 1；(2)Heat treatment process should be suitable for preventing excess deearburizing．
Key words：connecting rod，failure analysis，non—metallic inclusion，fatigu e life，paris equation
連桿作為傳遞力的主要部件廣泛地應(yīng)用于各類
動力機(jī)車上，是各類柴油機(jī)或汽油機(jī)的重要部件l1]。
發(fā)動機(jī)連桿的作用是將活塞的直線往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化
為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)由化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)
械能的輸出。發(fā)動機(jī)連桿連接活塞和曲軸，將活塞
承受氣體作用力傳給曲軸．使曲軸旋轉(zhuǎn)對外輸出動
力。工作時(shí)承受很高的周期性沖擊壓力、彎曲力和
慣性力，這就要求連桿應(yīng)具有高的強(qiáng)度、韌性和疲
勞性能，連桿體的幾何結(jié)構(gòu)有良好的結(jié)構(gòu)剛度。同
時(shí)也因連桿是發(fā)動機(jī)重要的運(yùn)動部件，而高速運(yùn)動
產(chǎn)生的慣性力又要求結(jié)構(gòu)輕巧，所以要求連桿在盡
可能輕巧的結(jié)構(gòu)下保證足夠的剛度、強(qiáng)度和質(zhì)量精
度。
碳素調(diào)質(zhì)鋼和合金調(diào)質(zhì)鋼是連桿用鋼的傳統(tǒng)
鋼種，通常小功率的發(fā)動機(jī)采用碳素調(diào)質(zhì)鋼，大功
收稿日期：2010～06—12
作者簡介：張進(jìn)(1982一)，男，山東濰坊人，工程師，從事熱處理技術(shù)
工作。
率的發(fā)動機(jī)采用合金調(diào)質(zhì)鋼。碳素鋼中碳的質(zhì)量分
數(shù)為：0．40％～0．55％ ；合金鋼主要添加的合金元素是
鉻、錳、鉬、硼等，可單獨(dú)添加或復(fù)合添加。一般碳素鋼
抗拉強(qiáng)度可達(dá)到800 MPa以上，沖擊韌度在6O J以
上；合金鋼調(diào)質(zhì)鋼抗拉強(qiáng)度可達(dá)到900 MPa以上，沖
擊韌度在80 J以上，可滿足連桿的可靠性要求 。
對不同類型的連桿的破壞進(jìn)行深入研究。綜合
起來可以得出，連桿的破壞可能出現(xiàn)在以下幾個(gè)部
位：桿身斷裂；連桿小頭斷裂；連桿大頭斷裂；連桿
蓋斷裂；連桿螺栓斷裂；“直角臺階”處的疲勞斷裂。
從以上的破壞部位可以看出，幾乎連桿所有部位都
有可能出現(xiàn)斷裂。但是從連桿破壞的大量實(shí)例來
看，無論是主副連桿，還是并列連桿，以其桿部的疲
勞斷裂居多
疲勞破壞的主要形式有：磨損、腐蝕和斷裂[3]。
車輛的零部件來說，由于磨損和腐蝕進(jìn)程很慢。一
般可以通過定期更換或修理的辦法來解決．而斷裂
常常突然發(fā)生，常常導(dǎo)致災(zāi)難性的車輛事故，所以
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Aug．2010 No4 鑄造設(shè)備與工藝 2010年第4期
斷裂破壞更為汽車研究人員所重視。造成斷裂事故
的原因是多樣的，如過載、低溫脆性、應(yīng)力腐蝕和疲
勞等[4]。在實(shí)際工況中曲柄連桿機(jī)構(gòu)承受活塞傳遞
的多種周期性爆發(fā)壓力的交變載荷和曲軸飛輪組
傳遞的阻力矩的共同作用[5]。要求曲柄連桿機(jī)構(gòu)具
有高度的可靠性和安全性。通過失效分析可以吸取
設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，設(shè)計(jì)中的失誤，完善設(shè)計(jì)內(nèi)容，
創(chuàng)造出新的設(shè)計(jì)方法，從而促進(jìn)設(shè)計(jì)水平的提高。
1． 試驗(yàn)內(nèi)容和分析方法
1．1 試樣材料及加工工藝
1．1．1 試樣
本文主要研究客車柴油發(fā)動機(jī)連桿失效分析，
試樣取自使用25個(gè)月后斷裂的發(fā)動機(jī)連桿．所用
材料40Cr，失效件為六缸發(fā)動機(jī)的第六根連桿，化
學(xué)成分要求如表1所示。
表1 40Cr連桿的化學(xué)成分(質(zhì)量成分，％)
c f si f Mn f Cr l S P
0．4o～0．42 f 0．22～0．23 f 0．62～0．66 l 0．80～1．10 f 0．01—0．03 O．o07一O．0o8
1．1．2 連桿加工工藝
原材料一斷料一鍛造坯料一精模鍛～調(diào)質(zhì)處
理～噴丸一硬度及表面檢查一矯正一精壓—探
傷～精加工一成品
I．2 試樣檢驗(yàn)與分析 、
1．2．1 宏觀斷口分析
具體取樣位置見示意圖1。連桿桿身斷裂成兩
部分．同時(shí)可以看出桿部有明顯的扭曲塑性變形
在裂紋源區(qū)的起始部位上有大量形狀不規(guī)則
的夾雜物。隨著裂紋源的擴(kuò)展。裂紋形貌逐漸變?yōu)?
b1
圖4 裂紋源區(qū)的夾雜物分布
小平面、撕裂棱及韌窩和夾雜物組成的準(zhǔn)解理斷
裂，并有大量的二次裂紋。由圖4e)可見，初始裂紋
可以認(rèn)為是由9個(gè)連續(xù)的夾雜物連接組成的，測得
初始裂紋的長度為0．5 mm
1．2．3 斷口裂紋源區(qū)和金相檢測分析
對斷口處進(jìn)行試樣元素檢測，發(fā)現(xiàn)S、Mn、Si、A1
等元素含量很高，雜質(zhì)多為A類或B類夾雜物，還
有少量爐渣(圖5、圖6、圖7)。
一霸隔 圖5 夾雜物MnS檢測圖像
一■
蒸■●一
凸)?？煽闯鰯郪1分成兩個(gè)區(qū)，裂紋擴(kuò)展區(qū)和斷裂
區(qū) 在擴(kuò)展區(qū)的某些區(qū)域可觀察到類似疲勞的花
樣。由弧線的彎曲方向，可知裂紋源的位置。
1．2．2 微觀斷口和金相組織檢測分析
在斷裂部位進(jìn)行掃描電鏡觀察，如圖4所示，
在裂紋源區(qū)斷面的主要形貌由韌窩和夾雜物組成。
· 40 ·
圖7 夾雜物爐渣檢測圖像
從圖8可以看出．組織主要為細(xì)片狀的屈氏體
和沿晶分布的網(wǎng)狀鐵素體，顯然．這種組織是在調(diào)
質(zhì)淬火過程中由于冷卻不足所造成的，這種組織的
強(qiáng)度應(yīng)該在500 MPa左右．勉強(qiáng)可以滿足連桿最低
的工作強(qiáng)度。但在邊緣處出現(xiàn)的大約0．15 mm貧碳
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2010年第4期 張進(jìn)，趙曉博，陶世杰，姜江，張金芳，徐景峰：發(fā)動機(jī)連桿失效分析 設(shè)備與工藝
圖8 斷口下側(cè)金相組織圖
層，強(qiáng)度大約為200 MPa，低于連桿的疲勞強(qiáng)度。連
桿中調(diào)質(zhì)組織的片狀屈氏體，和邊緣處的貧碳層為
連桿過早的發(fā)生塑性變形提供了組織上的有利條
件；邊界上的夾雜物阻止塑性變形，產(chǎn)生位錯(cuò)塞積
形成應(yīng)力集中區(qū)，為顯微裂紋的形成提供了有利條
件。
2 疲勞壽命計(jì)算
2．1 連桿受力分析
工作中的發(fā)動機(jī)。其曲柄連桿機(jī)構(gòu)中承受著氣
體對活塞的壓力、往復(fù)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動質(zhì)量的自重和慣
性力、外部負(fù)荷對發(fā)動機(jī)的反作用力、運(yùn)動副間的
摩擦阻力等。在動力學(xué)分析中，一般將各運(yùn)動部件
的自重和運(yùn)動副之間的摩擦阻力忽略不計(jì)，主要分
析氣體爆發(fā)壓力和慣性。
力在曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用情況。連桿的計(jì)算
載荷主要指通過連桿作用于連桿頸上的燃燒室氣
體壓力與曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力：包括活塞組作往
復(fù)運(yùn)動產(chǎn)生的慣性力、曲軸的不平衡質(zhì)量作旋轉(zhuǎn)運(yùn)
動產(chǎn)生的慣性力和連桿組作復(fù)合平面運(yùn)動產(chǎn)生的
慣性力，其他則忽略不計(jì)[6]。
連桿的運(yùn)動為隨活塞平移的牽連運(yùn)動和繞活
塞銷轉(zhuǎn)動的相對運(yùn)動的復(fù)合。這兩種運(yùn)動是變速運(yùn)
動。因此連桿的慣性力有4種。
1)連桿組隨活塞作往復(fù)運(yùn)動而產(chǎn)生的往復(fù)慣
性力，其方向平行于氣缸中心線，且與活塞加速度
方向相反。
2)連桿組繞活塞銷中心轉(zhuǎn)動的向心加速度而
產(chǎn)生的離心慣性力，它通過連桿組質(zhì)心且總順著由
連桿小頭中心到質(zhì)心的離心方向。
3)連桿組繞活塞銷中心轉(zhuǎn)動的切相加速度產(chǎn)生
的慣性力，它作用于連桿質(zhì)心且垂直于連桿軸線。
4)連桿變速旋轉(zhuǎn)的角加速度產(chǎn)生的慣性力矩。
綜合以上4種慣性力?？山?jīng)由計(jì)算得出因發(fā)動機(jī)啟
動或停止，連桿所受的最大合成慣性力為261 MPa。
2．2 斷裂疲勞壽命
從疲勞宏觀斷口分析可知．疲勞過程是由裂紋
萌生、亞穩(wěn)擴(kuò)展及最后失穩(wěn)擴(kuò)展所組成的。其中裂
紋亞穩(wěn)擴(kuò)展占有很大的比例．是決定整個(gè)疲勞壽命
的重要組成部分。對于含有原始裂紋或缺陷的實(shí)際
機(jī)件來說，裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展更為重要。
本文試樣裂紋采用近似公式計(jì)算試樣裂紋長
度與裂紋厚度之rE<0．5，為表面淺裂紋，當(dāng)表面裂紋
為0．5 mm時(shí)，計(jì)算得裂紋臨界尺寸約為42．88 mm。
不考慮鍛件材質(zhì)的不均勻性、介質(zhì)、溫度波動
及工作應(yīng)力對疲勞擴(kuò)展的影響。按照每天平均發(fā)動
機(jī)啟動l0次，采用Paris公式計(jì)算疲勞壽命約為
3．34 a，試樣實(shí)際使用時(shí)限為2．08 a與計(jì)算結(jié)果基
本吻合。
3 連桿失效分析與討論
3．1 連桿失效分析
整個(gè)斷口分為斷裂源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及最后瞬
斷區(qū)。裂紋源區(qū)在軸頸圓角面的小曲面上，斷口邊
緣較為鋒利，擴(kuò)展區(qū)較大，呈現(xiàn)貝殼狀擴(kuò)展花樣，瞬
斷區(qū)域較小并呈纖維狀斷口形貌，整個(gè)斷口表現(xiàn)為
低應(yīng)力作用下的彎曲疲勞斷裂。裂紋萌生后的亞穩(wěn)
擴(kuò)展較慢，擴(kuò)展區(qū)也較大．從裂紋的形成到裂紋的
失穩(wěn)擴(kuò)展經(jīng)歷了一定的時(shí)問．這與客車的實(shí)際運(yùn)行
里程也比較吻合。
從微觀看．連桿斷口試樣經(jīng)拋光腐蝕清洗后，
在電子顯微鏡上進(jìn)行掃描，明顯可見大量形狀不規(guī)
則的夾雜物，而疲勞起始裂紋就產(chǎn)生在夾雜之中，
(如圖5～圖7)。隨著裂紋源的擴(kuò)展，裂紋形貌逐漸
變?yōu)樾∑矫妗⑺毫牙饧绊g窩和夾雜物組成的準(zhǔn)解理
斷裂，并有大量的二次裂紋。由此可以斷定其裂源
出大量的非金屬夾雜嚴(yán)重的影響了連桿的疲勞強(qiáng)
度，正是因這些夾雜物造成連桿疲勞斷裂。
對裂紋處的試樣使用EDS。分析出主要元素為
s、Mn、Si、A1、0等。雖然連桿材料中的硫的成分符
合相關(guān)要求，但在微觀上，由于硫固溶度有限，易與
Mn形成MnS硫化物夾雜，且易在晶界處偏聚。從金
相、掃描電鏡及能譜分析結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，斷口試樣中存
在數(shù)量較多的A類夾雜物，如長條狀的MnS，呈淺灰
色。在疲勞斷口中存在二次沿晶裂紋(圖8)，這是由
于長條狀的MnS夾雜偏聚于基體的界面處．疲勞次
· 41 ·
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Aug．2010 №4 鑄造設(shè)備與工藝 2010年第4期
生裂紋易于沿材料夾雜物的方向擴(kuò)展的結(jié)果。
試樣斷口處還存在大量的B類夾雜物，因夾雜
物本身與基體材料在熱膨脹系數(shù)和硬度方面的差
異。在夾雜物周圍集中了較大的熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力
(試樣的磨制和拋光過程產(chǎn)生的)，再加上夾雜本身
較脆。循環(huán)加載初期，集中的應(yīng)力得以釋放而導(dǎo)致
裂紋的萌生。由于應(yīng)力在夾雜物的尖角處集中，當(dāng)
達(dá)到一定程度時(shí)．相鄰晶粒內(nèi)某些取向有利的滑移
系開始啟動，晶粒內(nèi)部產(chǎn)生不均勻塑性變形，并伴
有駐留滑移帶出現(xiàn)。隨著損傷的不斷積累，開始形
成微裂紋，該裂紋沿一定的滑移系不斷擴(kuò)展，最終
成為導(dǎo)致基體材料斷裂的主裂紋。
另外，在連桿的邊緣處也出現(xiàn)不同程度的貧碳
現(xiàn)象(如圖8)，貧碳層強(qiáng)度下降，在外力的作用下首
先發(fā)生塑性變形，位錯(cuò)運(yùn)動遇到障礙物受阻時(shí)，產(chǎn)
生位錯(cuò)塞積。位錯(cuò)塞積形成高應(yīng)力區(qū)，當(dāng)應(yīng)力超過
臨界值時(shí)，則形成微裂紋。
3．2 討論
一般來講。非金屬夾雜物能夠誘發(fā)鋼中疲勞裂
紋一般有兩種方式。一種是第二相、夾雜物本身開
裂的疲勞裂紋萌生機(jī)理；二是零件在服役過程中夾
雜物不能傳遞鋼基體中存在的應(yīng)力，在夾雜物周圍
可達(dá)到臨界的峰值應(yīng)力，夾雜物對裂紋的形成就有
直接形核的效果。本課題所研究的發(fā)動機(jī)連桿，由
于連桿裂源處存在大量非金屬夾雜物，連桿在長期
的交變應(yīng)力作用下，大量夾雜物不能傳遞交變應(yīng)
力，當(dāng)此處夾雜物周圍達(dá)到臨界的峰值應(yīng)力，裂紋
就在此處成核形成，裂紋源就此產(chǎn)生。連桿在持續(xù)
交變應(yīng)力的作用下，從裂紋源不斷擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)
展到一定程度時(shí)．連桿承受載荷的有效截面迅速減
小，在某一時(shí)刻，有效截面難以承受交變應(yīng)力時(shí)，即
發(fā)生瞬間斷裂。這種裂紋形成形式可以用微孔形核
長大模型表示[ 。
微孑L聚集延性斷裂，其本質(zhì)為材料所含第二相
粒子誘發(fā)空穴形核、長大及聚集直到與宏觀裂紋連
接導(dǎo)致最終斷裂的過程，主要影響因素為顯微組織
和夾雜物特征，降低第二相或夾雜物脆性，提高相
界強(qiáng)度。控制第二相或夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、大小和
分布．提高疲勞強(qiáng)度，延長材料的疲勞壽命。
但是一味減少夾雜物的數(shù)量，控制夾雜物的大
小和分布，將大幅度提高材料的采購成本。根據(jù)計(jì)
算表明，初始裂紋的尺寸對疲勞壽命的影響顯著，
當(dāng)初始裂紋減小到0-3 mm時(shí)，裂紋的疲勞壽命已
達(dá)到7 a，減小到0．2 mm時(shí)的壽命則達(dá)到9年零4
· 42 ·
個(gè)月，如果初始裂紋只有O．1 mm時(shí)，連桿的使用壽
命可達(dá)18 a 8個(gè)月。因此，控制非金屬夾雜物級別
小于一級，即可滿足連桿疲勞壽命為lO a的安全工
作年限。
4 結(jié)論
1)當(dāng)材料中有大量的夾雜物時(shí)，由于夾雜物本
身與基體材料差異，在夾雜物周圍集中了較大應(yīng)
力，循環(huán)加載初期。集中的應(yīng)力得以釋放而導(dǎo)致裂
紋的萌生，并在夾雜物的尖角處集中，當(dāng)達(dá)到一定
程度時(shí)，晶粒內(nèi)部產(chǎn)生不均勻塑性變形。隨著損傷
的不斷積累，開始形成微裂紋，裂紋沿一定的滑移
系不斷擴(kuò)展．最終成為導(dǎo)致基體材料斷裂的主裂
紋。研究結(jié)果表明，當(dāng)初始裂紋控制在0．3 mm長度
內(nèi)時(shí)，連桿的使用壽命就可以達(dá)到要求，根據(jù)GB／T
10561—2005／ISO 4967：1998(E)得出。夾雜物的綜合
等級應(yīng)控制在1級以內(nèi)。
2)材料組織為片狀的屈氏體和沿晶分布的網(wǎng)
狀鐵素體以及邊緣處不同程度的貧碳．貧碳層厚度
約為0．15 mm，因貧碳層的強(qiáng)度下降(200 MPa)，在
外力的作用下首先發(fā)生塑性變形，位錯(cuò)運(yùn)動遇到障
礙物受阻時(shí)，產(chǎn)生位錯(cuò)塞積。位錯(cuò)塞積形成高應(yīng)力
區(qū)，當(dāng)應(yīng)力超過臨界值時(shí)。則形成微裂紋。
3)建議：①加工前對材料進(jìn)行嚴(yán)格的金相檢
驗(yàn)，采用超聲探傷，避免刀痕、擦傷、裂痕等表面缺
陷，提高材質(zhì)表面質(zhì)量；②選用夾雜物較少的鋼材，
以減少夾雜物對零件力學(xué)性能的影響；③制定正確
的熱加工工藝．防止和減少連桿在鍛造和熱處理過
程中的氧化脫碳。
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