分享：汽油發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧斷裂失效分析

胡 鵬,江仲佶,祁學(xué)軍

(神龍汽車(chē)有限公司,武漢 ４３００５６)

    摘 要:某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧在臺(tái)架試驗(yàn)中發(fā)生了早期斷裂失效.采用斷口觀察和分析、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)試等方法,對(duì)氣門(mén)彈簧斷裂的原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:氣門(mén)彈簧斷裂的性質(zhì)為疲勞斷裂,氣門(mén)彈簧斷裂的原因?yàn)楸砻娲嬖谀p,導(dǎo)致彈簧的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命下降.

關(guān)鍵詞:氣門(mén)彈簧;磨損;疲勞斷裂

中圖分類(lèi)號(hào):TG１１５．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１７)０７Ｇ０５０７Ｇ０３

FractureFailureAnalysisofaValveSpringoftheGasolineEngine

HUPeng,JIANGZhongji,QIXuejun

(DongfengPeugeotCitroenAutomobileCo．,Ltd．,Wuhan４３００５６,China)

       Abstract:TheearlyfracturefailureoccurredtoavalvespringofthegasolineengineduringthebenchtestThefailurereasonsofthevalvespring。 wereanalyzedbymeansoffractureobservationandanalysis,chemicalcompositionanalysis,metallographicexamination and hardnesstesting．Theresultsshow that:thefracture。

mechanismofthevalvespringwasfatiguefracture;thefracturereasonofthevalvespringwasthattheabrasionexistedonthesurfaceandreducedthefatiguestrengthandthefatiguelifeofthevalvespring．

    Keywords:valvespring;abrasion;fatiguefracture

    氣門(mén)彈簧是發(fā)動(dòng)機(jī)配氣系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵零件,其作用是保證氣門(mén)座與氣門(mén)的氣密性,吸收氣門(mén)在開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中傳動(dòng)零件所產(chǎn)生的慣性力.因此,氣門(mén)彈簧的性能直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行安全及效率[１].

    山東 某 公 司 生 產(chǎn) 的 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 氣 門(mén) 彈 簧 材 料 為OTEVA７５超純凈彈簧鋼,經(jīng)過(guò)繞簧、熱處理、磨簧、噴丸等工藝處理后,裝入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn).試驗(yàn)進(jìn)行到第４６８h時(shí)(要求進(jìn)行５００h耐久試驗(yàn)),發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降,重啟后怠速抖動(dòng),停止試驗(yàn)拆機(jī)后發(fā)現(xiàn)４缸第２個(gè)彈簧斷裂,其他零件無(wú)異常.故障件實(shí)物形貌如圖１所示.該氣門(mén)彈簧為兩端變節(jié)距氣門(mén)彈簧,彈簧兩端并頭并磨平,經(jīng)過(guò)一圈均勻過(guò)渡到等節(jié)距.為了確定其斷裂原 因 ,筆 者 對(duì) 其 進(jìn) 行 了 斷 口 形 貌 觀 察 和分析、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)和硬度測(cè)試.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 斷口宏觀觀察

    該氣 門(mén) 彈 簧 斷 裂 位 置 在 第 ２~３ 個(gè) 彈 簧 圈處,將斷口 放 在 掃 描 電 鏡 下 進(jìn) 行 觀 察,發(fā) 現(xiàn) 其 斷裂源處于 磨 損 帶 處,磨 損 帶 上 有 一 些 小 凹 坑,如圖２~５所 示,且 有 些 凹 坑 附 近 可 以 看 見(jiàn) 一 些 細(xì)小裂 紋 (圖 ５ 箭 頭 所 示 ),磨 損 帶 在 彈 簧 的 接 觸圈處.

１．２ 斷口微觀觀察

    彈簧斷口經(jīng)超聲波清洗后,在 FEIＧ６５０型掃描電子顯微鏡上進(jìn)行觀察.斷口截面的整體形貌如圖６所示,斷裂源位于彈簧接觸表面的磨損帶處;B區(qū)為疲勞擴(kuò)展區(qū),該區(qū)域較為平坦,疲勞輝紋明顯,如圖７所示;C區(qū)為最終瞬斷區(qū),起伏較大,為韌窩形貌,如圖８所示.

１．３ 化學(xué)成分分析

    使用SPECTRO ARCOSICP型等離子體發(fā)射光譜儀對(duì)斷裂氣門(mén)彈簧的化學(xué)成分進(jìn)行分析,如表１所示,可見(jiàn)氣門(mén)彈簧的化學(xué)成分符合供貨雙方簽訂的技術(shù)協(xié)議要求.

１．４ 金相檢驗(yàn)

    對(duì)氣門(mén)彈簧斷口附近的橫縱截面分別取樣,鑲嵌后研磨、拋光.觀察縱截面試樣,其夾雜物含量較低,鋼材較純凈.采用４％(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液侵蝕橫 截 面 試 樣,可 見(jiàn) 其 顯 微 組 織 為 回 火 屈 氏體[２](圖９),表面無(wú)脫碳或滲碳現(xiàn)象(圖１０).

１．５ 硬度測(cè)試

    依照 GB/T４３４０．１－２００９中的測(cè)試方法,使用Wilson４３２SVD型顯微維氏硬度計(jì)對(duì)該氣門(mén)彈簧進(jìn)行硬度測(cè)試.結(jié)果顯示其基體顯微硬度實(shí)測(cè)值為５９０,５９６,５９２HV,平均硬度為５９３HV,根據(jù) DINENISO１８２６５－２００４轉(zhuǎn)換成洛氏硬度為５４．８HRC,符合技術(shù)協(xié)議中硬度為５２~５６HRC的要求.

２ 分析與討論

    斷裂是氣門(mén)彈簧常見(jiàn)的損壞形式,總結(jié)氣門(mén)彈計(jì)出現(xiàn)問(wèn)題造成強(qiáng)度不夠,裂紋源一般在彈簧的內(nèi)側(cè).失效彈簧兩端并緊磨平,該結(jié)構(gòu)在第１~３圈處承受的彎曲應(yīng)力及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力最大,工作時(shí)在此處發(fā)生斷裂的概率也最大.同時(shí)因?yàn)樵冢眫３個(gè)彈簧圈處先承受沖擊載荷,又不能迅速有效地將載荷傳遞給其他圈彈簧,吸收的沖擊能量最多[４],因此相對(duì)于其他圈的壓縮量要更大.力學(xué)性能、微觀組織及化學(xué)成分的分析結(jié)果顯示,該氣門(mén)彈簧的硬度、化學(xué)成分均符合要求,顯微組織為正常的回火屈氏體,內(nèi)部夾雜物也無(wú)異常.斷口的微觀形貌分析發(fā)現(xiàn),該氣門(mén)彈簧斷裂是由于在彈簧表面存在磨損帶,受應(yīng)力作用下在該處發(fā)生疲勞開(kāi)裂.彈簧受應(yīng)力集中的作用在擦傷磨損處產(chǎn)生微裂紋,彈簧工作時(shí)不斷地周期性往復(fù)變形,裂紋在應(yīng)力循環(huán)作用下逐漸擴(kuò)展,形成了圖６所示的疲勞擴(kuò)展區(qū) B,因此該區(qū)域較為平坦.失效氣門(mén)彈簧斷裂源處的磨損帶呈直線(xiàn)分布,

    說(shuō)明彈簧磨損帶是在斷裂之前形成的,同時(shí)彈簧內(nèi)表面與外表面的受力分析表明,該氣門(mén)彈簧斷裂屬于異常疲勞斷裂.在掃描電鏡下觀察,疲勞斷裂源在彈簧表面磨損帶處,顯示接觸面擦傷對(duì)該氣門(mén)彈簧的斷裂有影響.

    在耐久試驗(yàn)過(guò)程中,氣門(mén)彈簧第２圈與第３圈不斷接觸,表面產(chǎn)生磨損帶.工作中氣門(mén)彈簧不停地往復(fù)運(yùn)動(dòng),伴隨著應(yīng)力的不斷循環(huán),磨損帶處形成疲勞斷裂源,受力的同時(shí)裂紋不斷擴(kuò)展.當(dāng)彈簧所剩有效截面不能承受外界載荷時(shí),就會(huì)造成該氣門(mén)彈簧早期斷裂失效[５].

３ 結(jié)論及建議

    該氣門(mén)彈簧斷裂屬于早期疲勞斷裂,斷裂失效的主要原因是由于在彈簧第２~３圈處有較嚴(yán)重的磨損帶,導(dǎo)致彈簧疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命下降.建議生產(chǎn)廠(chǎng)家優(yōu)化噴丸工藝,提高氣門(mén)彈簧表面的疲勞強(qiáng)度,同時(shí)在滿(mǎn)足裝配的情況下,增加第２~３圈彈簧 間 距,盡 量 避 免 或 減 少 彈 簧 第 ２ 圈 與第３圈接觸.簧斷裂失效的原因主要有以下幾個(gè)方面:①氣門(mén)彈簧表面有缺陷,即使用或裝配過(guò)程中操作不規(guī)范,損壞了彈簧表面;②過(guò)載斷裂,即彈簧工作時(shí)受力超過(guò)材料本身所能承受的強(qiáng)度;③材料內(nèi)部微觀組織異常或含超標(biāo)非金屬夾雜物.該斷裂失效的氣門(mén)彈簧屬圓柱壓縮螺旋彈簧,兩端并緊磨平.該類(lèi)型彈簧在軸向應(yīng)力的作用下,任意橫截面所受到的切應(yīng)力在彈簧的內(nèi)徑受力最大,外徑受力最小[３].如果選擇材料不合適或者設(shè)計(jì)出現(xiàn)問(wèn)題造成強(qiáng)度不夠,裂紋源一般在彈簧的內(nèi)側(cè).失效彈簧兩端并緊磨平,該結(jié)構(gòu)在第１~３圈處承受的彎曲應(yīng)力及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力最大,工作時(shí)在此處發(fā)生斷裂的概率也最大.同時(shí)因?yàn)樵冢眫３個(gè)彈簧圈處先承受沖擊載荷,又不能迅速有效地將載荷傳遞給其他圈彈簧,吸收的沖擊能量最多[４],因此相對(duì)于其他圈的壓縮量要更大.

力學(xué)性能、微觀組織及化學(xué)成分的分析結(jié)果顯示,該氣門(mén)彈簧的硬度、化學(xué)成分均符合要求,顯微組織為正常的回火屈氏體,內(nèi)部夾雜物也無(wú)異常.斷口的微觀形貌分析發(fā)現(xiàn),該氣門(mén)彈簧斷裂是由于在彈簧表面存在磨損帶,受應(yīng)力作用下在該處

    發(fā)生疲勞開(kāi)裂.彈簧受應(yīng)力集中的作用在擦傷磨損處產(chǎn)生微裂紋,彈簧工作時(shí)不斷地周期性往復(fù)變形,裂紋在應(yīng)力循環(huán)作用下逐漸擴(kuò)展,形成了圖６所示的疲勞擴(kuò)展區(qū) B,因此該區(qū)域較為平坦.

失效氣門(mén)彈簧斷裂源處的磨損帶呈直線(xiàn)分布,說(shuō)明彈簧磨損帶是在斷裂之前形成的,同時(shí)彈簧內(nèi)表面與外表面的受力分析表明,該氣門(mén)彈簧斷裂屬于異常疲勞斷裂.在掃描電鏡下觀察,疲勞斷裂源在彈簧表面磨損帶處,顯示接觸面擦傷對(duì)該氣門(mén)彈簧的斷裂有影響.

    在耐久試驗(yàn)過(guò)程中,氣門(mén)彈簧第２圈與第３圈不斷接觸,表面產(chǎn)生磨損帶.工作中氣門(mén)彈簧不停地往復(fù)運(yùn)動(dòng),伴隨著應(yīng)力的不斷循環(huán),磨損帶處形成疲勞斷裂源,受力的同時(shí)裂紋不斷擴(kuò)展.當(dāng)彈簧所剩有效截面不能承受外界載荷時(shí),就會(huì)造成該氣門(mén)彈簧早期斷裂失效[５].

３ 結(jié)論及建議

該氣門(mén)彈簧斷裂屬于早期疲勞斷裂,斷裂失效的主要原因是由于在彈簧第２~３圈處有較嚴(yán)重的磨損帶,導(dǎo)致彈簧疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命下降.建議生產(chǎn)廠(chǎng)家優(yōu)化噴丸工藝,提高氣門(mén)彈簧表面的疲勞強(qiáng)度,同時(shí)在滿(mǎn)足裝配的情況下,增加第２~３圈彈簧 間 距,盡 量 避 免 或 減 少 彈 簧 第 ２ 圈 與第３圈接觸.

１．３ 支架受力與結(jié)構(gòu)分析

支架除了受到裝配和連接總管的彎扭應(yīng)力外,主要承受發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)應(yīng)力,銷(xiāo)軸與支架采用點(diǎn)焊方式連接,易產(chǎn)生應(yīng)力集中.從多起銷(xiāo)軸脫落和焊接區(qū)出現(xiàn)的裂紋特征來(lái)看,焊接點(diǎn)是支架中承力最薄弱的區(qū)域.

２ 分析與討論

銷(xiāo)軸與支架連接的焊點(diǎn)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的振動(dòng)應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞裂紋,進(jìn)而斷裂引起銷(xiāo)軸脫落.該支架作為發(fā)動(dòng)機(jī)總管的支架,在飛機(jī)飛行時(shí)承受振動(dòng)應(yīng)力,除飛機(jī)起飛和降落時(shí),飛機(jī)正常飛行時(shí)振動(dòng)應(yīng)力很小.但出現(xiàn)了多起銷(xiāo)軸脫落和連接焊點(diǎn)疲勞裂紋,其原因應(yīng)有支架的結(jié)構(gòu)形式、焊接的連接方式、焊接強(qiáng)度等因素.在支架組件中,銷(xiāo)軸起到固定桿的作用,與支架采用開(kāi)口管狀連接和點(diǎn)焊接方式,其支架與銷(xiāo)軸間的間隙很難保證,銷(xiāo)軸和支架焊縫結(jié)合線(xiàn)處存在尖銳夾角,在工藝上也難以徹底消除.因此,改進(jìn)支架整體結(jié)構(gòu)和連接方式,消除振動(dòng)的局部集中點(diǎn),是解決該故障的根本措施.故障件中焊接的熔化深度和有效焊接厚度都很小,這也是造成零件強(qiáng)度低,產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂的主要原因之一[８].對(duì)該故障件進(jìn)行了焊接工藝改進(jìn)研究,改進(jìn)了焊接工藝參數(shù)和方法,使焊接的熔化深度、有效焊接厚度有了很大提高,改進(jìn)后樣件焊點(diǎn)的微觀形貌見(jiàn)圖９.

通過(guò)以上分析,可以得出該型發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生多起銷(xiāo)軸脫落和銷(xiāo)軸與支架開(kāi)裂的主要原因是支架組件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、連接工藝不合理和焊接強(qiáng)度低.

３ 結(jié)論

(１)該銷(xiāo)軸脫落是由于銷(xiāo)軸與支架連接點(diǎn)焊縫在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂所引起的.

(２)銷(xiāo)軸脫落和銷(xiāo)軸與支架產(chǎn)生裂紋的主要原因是支架組件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、連接工藝不合理和焊接

強(qiáng)度低.

（文章來(lái)源：材料與測(cè)試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 2017年 > 7期 > pp.507）