稀土球墨鑄鐵曲軸斷裂的分析

1、稀土球墨鑄鐵曲軸斷裂的分析張琴(鞍鋼附企給排水凈水劑廠 鞍山114011)摘 要：運(yùn)用線彈性斷裂力學(xué)理論研究柴油機(jī)稀土球墨鑄鐵曲軸斷裂強(qiáng)度和壽命問題。曲軸斷裂的主要原因在于曲柄臂與連桿軸頸過渡圓角處存在缺陷，這個(gè)位置的缺陷在疲勞擴(kuò)展達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)便導(dǎo)致曲軸失穩(wěn)斷裂。根據(jù)斷裂力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)分析，提出了降低斷裂率的一些途徑。關(guān) 鍵 詞：稀土球墨鑄鐵；曲軸斷裂；裂紋擴(kuò)展速率；臨界裂紋尺寸；表面裂紋1 概述曲軸是內(nèi)燃機(jī)的關(guān)鍵部件，目前許多工廠采用球墨鑄鐵生產(chǎn)柴油機(jī)曲軸。球墨鑄鐵具有強(qiáng)度高、耐磨、抗震性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，用以代替合金結(jié)構(gòu)鋼有著重大意義。然而，球墨鑄鐵相對合金結(jié)構(gòu)鋼而言，韌度差，易于發(fā)生脆

2、斷，以球墨鑄鐵曲軸為例，有些工廠生產(chǎn)的曲軸斷裂率達(dá)到1以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出斷裂率01的指標(biāo)。曲軸斷裂的重要原因在于曲柄臂與連桿軸頸過渡圓角處存在缺陷。這個(gè)位置的缺陷(裂紋或夾雜等)在疲勞擴(kuò)展達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)便導(dǎo)致曲軸失穩(wěn)斷裂?，F(xiàn)以290柴油機(jī)的稀土球墨鑄鐵曲軸為例分析曲軸斷裂問題。我國現(xiàn)在生產(chǎn)的290型柴油機(jī)曲軸，不少工廠是用含磷高的地方鑄鐵，經(jīng)球化處理而直接制造的，它的化學(xué)性能見表1，常規(guī)機(jī)械性能見表2。與過去常用于鍛造曲軸的40Cr合金結(jié)構(gòu)鋼相比，稀土球墨鑄鐵的韌度顯然要低得多，曲軸的斷裂部位絕大多數(shù)都在靠動(dòng)力輸出端的曲柄臂與連桿軸頸過度圓角處(見圖1)，屬于彎曲疲勞斷裂，呈現(xiàn)脆性斷裂特征。2 工

3、作應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)測定21 光測彈性應(yīng)力分析1試驗(yàn)采用三維光彈模型，模型材料用環(huán)氧樹脂制造，模型尺寸為原結(jié)構(gòu)的12。采用集中加載，使曲軸得到三角形彎距。模型材料條紋值(按照徑向受壓圓盤試樣測量出值)，實(shí)物應(yīng)力與模型應(yīng)力之間的關(guān)系為式(2)。根據(jù)測得的應(yīng)力條紋圖，計(jì)算沿曲軸實(shí)際破壞斷面(即與軸線成45°面)的各點(diǎn)的應(yīng)力式(3)為剪應(yīng)力，式(4)為正應(yīng)力，式(5)為主應(yīng)力。應(yīng)力分布見圖2，計(jì)算結(jié)果見表3。結(jié)果表明，最大拉應(yīng)力位于曲柄臂與連桿軸頸的內(nèi)過渡圓角邊上，max=213MPa。光彈實(shí)測結(jié)果充分說明，曲軸斷裂源是過渡圓角處的缺陷或裂紋，在交變的主應(yīng)力作用下，發(fā)生疲勞擴(kuò)展，最后裂紋深度達(dá)到某

4、種臨界狀態(tài)而導(dǎo)致脆斷。22 電測殘余應(yīng)力(電阻應(yīng)變儀)290型柴油機(jī)曲軸是整體鑄造后經(jīng)過正火回火處理以及機(jī)械加工而成。因而，不可避免存在殘余應(yīng)力。在對裂紋進(jìn)行斷裂力學(xué)分析時(shí)，必需涉及殘余應(yīng)力的影響?，F(xiàn)在實(shí)際曲軸上采用應(yīng)力松弛法進(jìn)行測定。首先在曲軸的，等四個(gè)過渡圓角部位貼上2×3mm的電阻應(yīng)變片，然后用機(jī)械加工方法釋放貼應(yīng)變片處的應(yīng)力，用靜態(tài)應(yīng)變儀測量應(yīng)變，然后計(jì)算出殘余應(yīng)力。實(shí)測結(jié)果(見表4)表明，實(shí)際殘余應(yīng)力都大于規(guī)范要求的0102的標(biāo)準(zhǔn)。3 抗斷性能參數(shù)的測定按照有關(guān)試驗(yàn)方法測得：(1)對于經(jīng)正火回火工藝處理的稀土球墨鑄鐵，從偏安全考慮，取IC=845kgmm。(2)對于經(jīng)表面軟

5、氮化處理的試樣，測得IC=117kgmm3/2。(3)對于經(jīng)等溫淬火處理的試樣測得：高硅中錳情況s=1250MPa，IC=162kgmm；低硅中錳情況s=1180MPa，IC=136kgmm。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)表面軟氮化處理后，平面應(yīng)變斷裂韌度IC值，比現(xiàn)行的經(jīng)正火回火工藝處理的曲軸的IC值提高385；經(jīng)等濕淬火處理后，IC值提高55590，同時(shí)材料的屈服強(qiáng)度也大大提高。4 臨界裂紋尺寸由于稀土球墨鑄鐵的平面應(yīng)變斷裂韌度IC較低，曲軸斷裂實(shí)際上屬于彎曲引起的脆斷，因而用線彈性斷裂力學(xué)數(shù)據(jù)來計(jì)算曲軸失穩(wěn)斷裂時(shí)的臨界斷裂尺寸，是完全合理的。實(shí)際斷裂多是由于表面裂紋達(dá)到臨界失穩(wěn)狀態(tài)(即裂紋深度達(dá)到臨界

6、尺寸ac)而產(chǎn)生，所以可建立圖3所示的斷裂力學(xué)模型。一般情況下，表面裂紋產(chǎn)生于第曲軸(動(dòng)力輸出端)與連桿軸經(jīng)交界的過渡圓角內(nèi)側(cè)；設(shè)表面裂紋為半橢圓片狀，長度為2c，深度為a；裂紋面與曲軸面和連桿軸徑表面母線都成45°，表面裂紋與前自由界面成90°折角；裂紋面所受張力為，包括工作應(yīng)力與殘余應(yīng)力，它們都垂直于裂紋面，按偏安全考慮張力，視為均勻分布；工作應(yīng)力取光彈實(shí)測的圓角處最大主應(yīng)力213MPa，殘余應(yīng)力按標(biāo)準(zhǔn)取材料屈服極限s的10；曲軸的加油孔對過渡圓角處裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響作為后自由邊界的影響，取b=10mm。根據(jù)斷裂力學(xué)模型，裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子I值表達(dá)式為2：式(

7、7)用曲線表示如圖4所示。設(shè)ac為臨界裂紋尺寸，將上述I式代入線彈性斷裂力學(xué)應(yīng)力強(qiáng)度因子I斷裂判據(jù)I=c中并加整理，得從上式可解得臨界裂紋尺寸ac。計(jì)算結(jié)果：(1)對現(xiàn)行經(jīng)正火回火工藝處理的曲軸，按圖3斷裂力學(xué)模型，取IC=845kgmm3/2，=213+567=270MPa，b=10mm，F(xiàn)(s)=091代入上式，求得過渡圓角處表面裂紋的臨界裂紋尺寸(裂紋深度和裂紋長度即a×2c)：33×，4×32，45×18，52×14，59×118(mm)。(2)對經(jīng)軟氮化處理的曲軸，取IC=117kgmm3/2，=213+567=270MPa

8、，可得臨界裂紋尺寸：52×，56×448，62×248，68×18，74×148(mm)。(3)對經(jīng)等濕淬火處理的曲軸取IC=16kgmm3/2(高硅中錳)，可得臨界裂紋尺寸：57×，6×4867×27，72×19，77×154(mm)。將以上計(jì)算示于圖5：由圖5可見：裂紋深度a是引起失穩(wěn)斷裂的主要尺寸。當(dāng)2c增大，即a/c減小時(shí)，ac稍有減少；當(dāng)a/c一0時(shí)，可得到偏于安全的裂紋深度尺寸。隨著材料平面應(yīng)變斷裂韌度IC的增加，斷裂時(shí)的臨界裂紋深度也增加。經(jīng)等溫淬火或表面軟氮化后，球墨鑄鐵斷裂韌度

9、明顯增加，使曲軸斷裂時(shí)的臨界尺寸明顯增加。5 降低曲軸斷裂率的途徑(1)避免曲軸疲勞斷裂的關(guān)鍵在于控制曲柄臂與連桿軸經(jīng)過渡圓角處的表面質(zhì)量。表面初始缺陷尺寸(深度)控制在0304mm以下，可使曲軸壽命在數(shù)千小時(shí)以上。因此，過渡圓角的表面應(yīng)保證精細(xì)加工，不要有大于03mm深度的任何劃痕。同時(shí)，曲軸在使用過程中也要保持過渡圓角處表面避免劃傷，否則將大大降低壽命。(2)同樣理由，在過渡圓角處表面不應(yīng)有大于03mm數(shù)量級(jí)的類裂紋或其他缺陷(深度)。采用適當(dāng)工藝手段控制這個(gè)部位的夾雜物尺寸，將有利于降低曲軸的斷裂率。(3)對稀土球墨鑄鐵曲軸進(jìn)行等溫淬火或表面軟氮化處理，能提高材料的平面應(yīng)變斷裂韌度IC值，從而提高材料抵抗失穩(wěn)斷裂的能力?？偠灾瑪嗔蚜W(xué)分析表明，雖然球墨鑄鐵比合金結(jié)構(gòu)鋼對裂紋的敏感性要大，脆斷的傾向要大，但只要按照對曲軸的斷裂力學(xué)分析結(jié)果控制曲軸某些位置的缺陷或裂紋的初始尺寸，曲裂仍然可以達(dá)到很長的工作壽命，斷裂率可以大大降低。6 結(jié)束語曲軸斷裂的重要原因在于曲軸的過渡圓角太小，曲柄臂太薄，過渡圓角加工不完善，導(dǎo)致連桿軸經(jīng)與曲柄臂過渡圓角處應(yīng)力集中嚴(yán)重，因而逐漸發(fā)展成橫斷面曲柄臂的疲勞裂紋，在疲勞擴(kuò)展到臨界狀態(tài)時(shí)便導(dǎo)致曲軸失穩(wěn)斷裂。因此