摇臂件和连杆疲劳失效分析.doc

内燃机摇臂件的失效 （一） 零件失效情况 内燃机排气门摇臂件采用 40CrNiMoA 钢，经过模缎、调质处理加工制成零件在常 温下工作，主要承受弯曲交变载荷载规定使用寿命期内该件发生断裂，零件及断裂部位 形貌示于图 6-26匹配断口吻合良好，断口附近无宏观可见的塑性变形二） 试验研究 1． 断口观察 断口的宏观形貌示于图 6-27，整个断口较为平坦、光滑，而部分地区有磨损现象按 断口特征可分为三个区域：中间部位较为光滑的平坦区，为裂纹扩展区，放射状棱线集中 于靠近表面的小平面，可以认为是裂纹萌生区，与中间平坦区相交的斜断口，属于韧性瞬 断区将位于摇臂凸棱边上的裂纹源区放大观察，断口呈黑色且粗糙（图 6-28） 裂纹扩展区的大部分表面受到磨损，但在瞬断区与扩展区之间有明显不同的形貌特征由以上的现象可以认为，它具有疲劳断裂的断口特征，为进一步分析其失效性质，对 断口作微观分析 切取包括源区在内的断口试样，面积 10×15mm，其扫描电镜照片示于图 6-29它与 一般的疲劳源区的断口形貌不同，表面呈层片状，质地松散源区和扩展区的 x 射线能谱 成分分析结果表明，两个区的合金元素（主要是 Cr，Ni，Mo）含量有很大差异（图 6-30） 。

2． 显微组织的观察 通过源区截面切取金相试样浸蚀前，表层有灰色物嵌入基体金属（图 6-31） ；浸蚀 后，片状嵌入物两侧呈现出严重氧化脱碳由嵌入物向基体内打显微硬度（负荷为 1000N） ， 各点的硬度值分别为： 1630，1660，1870，2020，2150，2150，2820，2820，3000，3200，3200Mpa（见图 6-32） 表层脱碳部位的硬度值最低（HV=1630Mpa）,而未脱碳的基体硬度最高（HV=3200Mpa）. 零件材料为索氏体组织，晶粒度为 7～8 级，均符合技术条件要求3． X 射线微区成分分析 用电子探针测定了裂纹源区（即片状嵌入物）和扩展区的嵌含量，由表 6-3 的数据可 见，扩展区的含碳量约为源区的 5 倍，这表明在调质热处理之前，零件表面就已经存在裂 纹，而在热处理加热过程中，裂纹两侧在高温下发生氧化脱碳4． 力学性能及化学成分分析 由失效零件上取样作力学性能及化学成分分析，其结果列于表 6-4它们均符合技术 条件的要求三） 结果分析 1． 失效性质分析 零件在工作中主要承受弯曲交变截荷断口的源区和瞬断区分别处于扩展区的两侧， 它们的面积远小于扩展区的面积。

扩展区内具有宏观和微观的疲劳特征，这表明零件属于 疲劳失效根据失效性质故障树的分析方法，摇臂的失效是一种单向弯曲疲劳失效（图 6- 33） 2．失效原因分析 失效零件的显微组织，力学性能以及化学成分等符合技术条件的要求裂纹源区表面 暗灰色，且十分粗糙，完全不同于一般表面上形成的疲劳源的断口形貌对源区的显微组 织、显微硬度、化学成分以及裂纹形貌等所作的试验表明，裂纹源处出现严重的氧化脱碳 现象片状的嵌入物可能是热处理前锻造过程中嵌入零件次表面层的氧化皮，在交变载荷 下显然它起着类裂纹的作用，裂纹由此扩展，并导致疲劳断裂根据失效原因故障树的分 析，零件系由于锻造工艺不当而引起的疲劳失效（图 6-34） 四） 结论 摇臂件在制造过程中，由于锻造工艺不当，使氧化皮嵌零件次表面，由此导致零件的 早期疲劳失效 柴油机连杆的失效 （一） 零件失效情况 拖拉机用柴油机连杆采用 45 号优质碳素钢制成连杆的设计应力为 Qmin=132.5Mpa(压)，Qmax=171Mpa(拉)，频率为 9Hz，在上述条件下的设计寿命应满足 N>108次循环的要求，连 杆在发动机的实际实验中，到达 N=2.15×106时发生断裂，断裂部位多集中于连杆大头和 小头的杆身，如图 6-35 所示。

二） 试验研究 1． 断口分析 零件的表面粗糙，杆身表面满形状和尺寸不等的麻坑连杆的宏观断口形貌示于图 6- 36凹缘上带有幅射状花样的平坦区为裂纹萌生区（箭头所示） 图 6-37 所示为裂纹源的 宏观形貌对扩展区和瞬断区断口作二次复型点镜观察，扩展区各处可见到间断的疲劳条带，由 于匹配面的相互摩擦，一些地区的条带变得模糊不清（图 6-38a，b） 瞬断区呈现出卵形韧 窝花样（图 6-38c） 2． 显微组织观察 通过裂纹源区切取试样，浸蚀前由表面向内部测量显微硬度，压痕由大逐渐变小（图 6-39） ，说明表面层的硬度低于心部浸蚀后，发现表层由于脱碳而变成白色组织，其深度 约为 0.2mm（图 6-40） 钢的金相检验表明，其组织为索氏体，晶粒度为 7～8 级，均符合技术条件要求 3． 力学性能及化学成分分析 连杆材料的力学性能和化学成分分析结果列于表 6-5，它们均符合材料的技术条件要 求三） 结果分析 连杆宏观断口呈现出明显的疲劳断裂三个特征区，扩展区内又出现清晰的疲劳条带， 这些特征表明连杆系属疲劳失效 连杆的显微组织、化学成分及力学性能都符合技术条件的规定但是由于锻造和热处 理工艺不当，致使表面出现大量的麻坑并且有严重的表面脱碳现象。

已有充足的试验结果 指出，提高表面粗糙度和表面脱碳等，都会在不同程度上降低零件的疲劳强度，根据上述 试验结果可知，连杆的表面脱碳以及表面麻坑是引起疲劳性能下降的主要原因四） 结论 连杆系属高周弯曲疲劳失效热加工工艺不当使连杆表面形成的脱碳层和表面麻坑， 是导致发生早期疲劳的主要原因。