發(fā)動(dòng)機(jī)連桿斷裂失效分析

時(shí)間：2017-12-15作者：成都國(guó)威冠準(zhǔn)檢測(cè)技術(shù)有限公司瀏覽：951

一、概述

西菱動(dòng)力送檢斷成幾截的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿試樣一件，送檢人稱：開裂件為C70S6鑄件，在廠內(nèi)試車期間發(fā)生斷裂，送檢方要求對(duì)開裂原因進(jìn)行分析。

二、宏觀檢查

送檢試樣的拼湊外觀見圖1（送檢方提供），在小頭一端部分的斷裂碎片磨損嚴(yán)重（在圖5和圖6d中明顯的看到A和D碎片有較大的間隙）。收到的試樣已經(jīng)做過解剖，解剖后的試樣見圖2。圖3為大頭上的碰撞擦傷痕跡。說明連桿斷裂后，大頭也受到了碰撞擠壓。圖4為內(nèi)壁銅襯墊的變形形貌，注意到銅襯墊對(duì)應(yīng)于小頭上的孔內(nèi)壁的位置沒有擦傷痕跡和斷裂，這一位置正好位于連桿中軸線上。

圖5為小頭部位裂成的四塊碎片。圖中分別對(duì)四塊碎片標(biāo)注為A、B、C、D。圖6a~d分別是四塊斷裂碎片的內(nèi)壁形貌， A內(nèi)壁上有一半?yún)^(qū)域存在均勻的擦傷痕跡，說明小頭在這個(gè)位置受到了較大的摩擦擠壓作用，而這一位置跟連桿的中軸線對(duì)應(yīng)的部位基本重合（存在一定的偏心），說明連桿在使用過程中，受到了短時(shí)的沖擊摩擦作用，對(duì)應(yīng)的連桿的中軸線為壓應(yīng)力，結(jié)合**圖4的信息，可以判斷在沖擊的時(shí)候孔附近的內(nèi)壁和銅襯墊之間出現(xiàn)了間隙，由此不僅說明連桿的壓應(yīng)力狀態(tài)，也同時(shí)說明孔的位置不是首斷位置。圖7a~7c為B、C、D外壁的形貌。B和D兩塊的外壁都有碰傷痕跡。圖8展示的B和D的側(cè)面形貌可以看出，這兩塊碎片均有嚴(yán)重的塑形變形。B是向內(nèi)壁側(cè)彎曲，D是向外壁側(cè)彎曲。說明B和D件都不是首斷件。圖9顯示的A和D之間D上的斷口形貌，圖10顯示的是A和B之間B上的斷口形貌。斷口均從外壁側(cè)起裂（外壁上應(yīng)為周向拉應(yīng)力狀態(tài)）。根據(jù)圖6a中A的受力狀態(tài)分析，在靠近D的一側(cè)（內(nèi)壁有擦傷痕跡的一側(cè)），斷裂位置是外表面是壓應(yīng)力，在靠近B的一側(cè)（內(nèi)壁光滑的一側(cè)），斷裂位置外表面是拉應(yīng)力，因此，A也不是首斷件。最后可以判斷出C為小頭上的首斷件，圖11和12斷口為小頭上的首斷斷口。

小頭上C碎塊的首斷位置，不在連桿拉壓應(yīng)力的中軸線上，另外考慮連桿受到壓應(yīng)力沖擊作用，而大頭小頭都是固定在軸上的，這一附加的壓應(yīng)力的來(lái)源只能為連桿斷裂后變形后，連桿段的相對(duì)長(zhǎng)度增加導(dǎo)致的擠壓。因此可以得出初步的結(jié)論，連桿是首斷件。

連桿的斷裂部位的斷口見圖13~15。連桿的截面為工字梁結(jié)構(gòu)，圖13中箭頭所示位置為人字紋收斂的位置（上翼緣板邊緣中間），為斷裂源，但斷裂源已被損傷。白圈所示位置的側(cè)面形貌見圖14，顯示有擠壓變形產(chǎn)生的裂紋。圖15為距斷裂源10mm位置的下翼緣板中心的一處大型孔洞。孔洞上尖下大，開口一端下側(cè)有嚴(yán)重的擦傷痕跡。

 

圖2    收到的試樣外觀       圖3    大頭上的擦傷痕跡

       

圖4    內(nèi)圈側(cè)銅墊圈的形貌           圖5    小頭的拼合貌

  

圖6a    圖5中A部分內(nèi)壁的擦傷痕跡  圖6b    圖5中B部分內(nèi)壁形貌

 

圖6c    圖5中C部分內(nèi)壁的擦傷痕跡  圖6d    圖5中D部分內(nèi)壁形貌

 

   

圖7a                   圖7b                   圖7c

圖7    圖5中B、C、D三部分的外壁的碰傷痕跡

 

圖8（a）                            圖8（b）

圖8    圖5中B和D部分的側(cè)面形貌

 

圖9    A和D之間A上的斷口    圖10    A和B之間B上的斷口

 

圖11    小頭上較初斷裂的位置的斷口形貌       圖12    圖11之局放大




圖13    連桿上的斷口形貌        圖12    圖14中圈示位置的側(cè)面的裂紋

圖15    圖13下部的孔洞及側(cè)面的擦傷痕跡

三、低倍分析

對(duì)連桿位置靠近斷口的位置和遠(yuǎn)離斷口的位置分別取樣進(jìn)行低倍檢驗(yàn)（腐蝕劑為80°C的1:1鹽酸水溶液。圖16顯示的靠近斷口位置的低倍試樣，殘留的孔洞位于下翼緣板的中心部位，位于腹板偏析帶的附近，下翼緣板的寬度要比上翼緣板寬一些，孔洞開口端有偏向照片左側(cè)的流線。圖17 顯示的遠(yuǎn)離斷口位置試樣的低倍形貌顯示上下翼緣板的寬度基本一致。

低倍顯示，連桿斷口截面由于擠壓擦傷導(dǎo)致了下翼緣板的金屬向翼緣板兩端流動(dòng)，下翼緣板的寬度增加，孔洞的開口端正好位于金屬流線的起始位置。這說明孔洞的產(chǎn)生與擠壓擦傷導(dǎo)致的金屬流動(dòng)有關(guān)。

      

圖16  靠近斷口位置的低倍試樣         圖17    遠(yuǎn)離斷口位置的低倍試樣

四、斷口分析

將連桿上的斷口試樣超聲波清洗后，置于掃描電鏡下觀察。斷裂源形貌見圖18，斷裂源區(qū)域均為擦傷痕跡，無(wú)法根據(jù)斷裂源確定斷裂原因。在斷裂源附近發(fā)現(xiàn)鍛造自由面上有鍛造缺陷。

圖21為孔洞的低倍電鏡形貌，斷面上覆蓋有大量的氧化產(chǎn)物，圖22和23是孔洞周圍的夾雜物和氧化產(chǎn)物能譜分析圖。夾雜物較為**，斷口氧化嚴(yán)重，還有油污污染（碳元素含量可知）。

 

圖18    斷裂源電鏡形貌        圖19    鍛造自由面上的凹坑、裂紋

 

圖20    鍛造自由面上的金屬折疊              圖21    斷裂面上的孔洞

 

圖22   孔洞周圍的夾雜物                 圖23  孔洞周圍的夾雜物

圖22	C	O	Na	P	S	Cl	K	Ca	Fe	Total
1	48.99	26.53		5.78				14.39	4.31	100.00
2	64.83	33.51		0.46				1.20		100.00
3	93.82	6.18								100.00
4	52.40	36.39	2.00		1.74	2.08	1.76	2.34	1.29	100.00

 

圖23	C	O	Si	P	Ca	Fe	Total
1	29.65	35.84		7.82	20.16	6.53	100.00
2	52.06	30.55	5.39	2.13	6.52	3.34	100.00
3	32.07	27.68		5.53	16.34	18.37	100.00

 

五、金相分析

由于連桿斷口試樣已經(jīng)損壞，金相試樣為低倍試樣上制備。

在斷裂源附近區(qū)域上翼緣板的邊部，形貌見圖18和19，有連續(xù)的脫碳層分布，深度約50μm，局部區(qū)域有鍛造加工折疊缺陷。

檢驗(yàn)面上的孔洞形貌及擦傷痕跡區(qū)域的裂紋形貌見圖26~33，拋光態(tài)下孔洞附近未見肉眼可見的夾雜物分布，孔洞的一端尖一端張開的形貌與下翼緣板邊緣由于擦傷導(dǎo)致的裂紋形貌一致，腐蝕態(tài)下，孔洞周圍的金屬流線垂直于孔洞邊緣，孔洞開口端及延伸段的組織則完全呈纖維化的變形組織形貌。

圖34為遠(yuǎn)離斷口所取試樣的基體組織，組織為珠光體+少量短條狀鐵素體。

 

圖24    斷裂源附近的邊緣缺陷             圖25    圖24之放大

 

圖26    下翼緣板中心的孔洞形貌   圖27    下翼緣板擦傷痕上的孔洞和裂紋

 

     圖28    孔洞及末端的變形組織    圖29    孔洞附近的垂直于邊緣的變形組織

 

圖30    孔洞**垂直于邊緣的變形組織  圖31    孔洞開口端的流線及流線撕裂的小孔

 

圖32   變形組織的形貌                 圖33   圖28的腐蝕態(tài)形貌

圖34    遠(yuǎn)離斷口位置所取試樣的基體組織

四、化學(xué)成分分析

取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果及技術(shù)要求值見表1，結(jié)果說明材質(zhì)符合技術(shù)要求。

 

 

 

 

表1    化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果及技術(shù)要求值（wt%）

C	Si	Mn	P	S	Cr	V	Ni	Mo	Al
0.695	0.221	0.565	0.032	0.070	0.12	0.03	0.070	0.02	0.008

 

五、力學(xué)測(cè)試

取樣測(cè)試材料的硬度，測(cè)試結(jié)果和技術(shù)要求值見表2，結(jié)果說明，連桿的硬度符合技術(shù)條件要求。

表2    力學(xué)布氏硬度測(cè)試結(jié)果及技術(shù)要求值

	**點(diǎn)	*二點(diǎn)	*三點(diǎn)
測(cè)試值	295.1HBW	294.6 HBW	297.5 HBW
技術(shù)要求值	280~320HBW

七、開裂原因分析

連桿上的斷口為首斷斷口，其斷裂源起源于鍛件連桿外表面的鍛造折疊缺陷，連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中受到拉-壓應(yīng)力作用，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或者加速時(shí)，拉-壓應(yīng)力的驟然增大會(huì)導(dǎo)致鍛造缺陷位置開裂，連桿在很短的時(shí)間內(nèi)就發(fā)生破斷。大頭和小頭端由于連桿斷裂與發(fā)動(dòng)機(jī)殼壁發(fā)生碰撞，出現(xiàn)擦傷和磨損，最后小頭發(fā)生碎裂。

斷口上發(fā)現(xiàn)的孔洞距離斷裂源距離較大，位于偏析帶附近和下翼緣板擠壓擦傷區(qū)域?？锥吹男蚊才c擠壓擦傷區(qū)域的裂紋近似，遠(yuǎn)離擠壓擦傷區(qū)的一端尖銳，靠近擠壓擦傷區(qū)的一端開口，且附近組織均為向翼緣板端頭方向拉長(zhǎng)的形貌。宏觀斷口上分析下翼緣板側(cè)面有由于金屬流動(dòng)不暢導(dǎo)致的裂紋，低倍顯示下翼緣板的金屬向兩端流動(dòng)，孔洞的尾端有明顯的金屬變形，孔洞附近的變形組織的方向垂直于孔洞邊緣，以上證據(jù)均說明孔洞的形成是偏析區(qū)附近的金屬向翼緣板兩側(cè)流動(dòng)產(chǎn)生的撕扯導(dǎo)致。

根據(jù)鋼的生產(chǎn)工藝，鋼錠為連續(xù)鑄造，在鑄機(jī)水平段進(jìn)行分割，送軋機(jī)進(jìn)行軋制成棒料。鋼坯軋制擠壓后可以將心部未焊合的裂紋和縮孔軋合，但這些位置還是會(huì)有夾雜物以及碳偏析分布。低倍檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)腹板上有偏析帶，偏析帶對(duì)應(yīng)于原始鋼錠的心部，而低倍檢驗(yàn)面上的孔洞并不在偏析帶上。金相檢驗(yàn)未在孔洞周圍發(fā)現(xiàn)密集的夾雜物，但能譜測(cè)試結(jié)果顯示，孔洞周圍少量的夾雜物顯示有P、Ca等雜質(zhì)元素以及大量的氧元素和油污氧化殘留的碳元素，這也說明孔洞不是原材料上的原始缺陷。

八、結(jié)論

1、送檢試樣的硬度和化學(xué)成分分析滿足技術(shù)條件要求。金相組織為珠光體+少量的鐵素體，未見明顯的冶金缺陷分布。

2、首斷斷口為連桿部位斷口，裂紋源位于連桿部位翼緣板表面的鍛造缺陷。斷裂應(yīng)力來(lái)源于連桿傳遞的拉-壓應(yīng)力。

3、首斷斷口上的孔洞是連桿在斷裂后，偏析區(qū)金屬在擠壓擦傷作用下撕裂產(chǎn)生。

4、發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)引起的連桿傳遞的應(yīng)力驟增，會(huì)導(dǎo)致連桿上的鍛造缺陷位置發(fā)生開裂。連桿斷裂后，大頭和小頭由于轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生的碰撞，最后斷成碎片。


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