汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)油管支架疲勞斷裂分析

孔德群

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

0 引言

疲勞斷裂引起的構(gòu)件失效可占到機(jī)械構(gòu)件破壞的80%以上[1]。在高速行駛過(guò)程中，汽車零部件的疲勞問(wèn)題也日益突出，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件失效占比可達(dá)41%[2]。比如表面劃傷引起的傳動(dòng)軸斷裂[2]，MnS 夾雜物引起曲軸油道內(nèi)壁扭轉(zhuǎn)疲勞開裂[3]，排氣管支架出現(xiàn)的焊接螺母疲勞開裂問(wèn)題[4]。疲勞斷裂已成為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件失效的主要形式，應(yīng)當(dāng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料加工質(zhì)量等方面引起足夠的重視，避免不必要的疲勞斷裂，保障行車安全。

作為油路系統(tǒng)的支撐件，油管支架通常以螺栓連接方式安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)或轉(zhuǎn)向器等關(guān)鍵功能部位，其性能與質(zhì)量將直接影響整個(gè)油路系統(tǒng)的穩(wěn)定性和服役壽命，例如汽車轉(zhuǎn)向高壓油管支架倒角處的應(yīng)力集中位置在不規(guī)律載荷的長(zhǎng)期作用下可產(chǎn)生疲勞失效[5]。油管支架應(yīng)進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制原材料冶金質(zhì)量，同時(shí)還應(yīng)注重工件表面質(zhì)量的要求，比如某底盤前軸管總成的碳素結(jié)構(gòu)鋼油管支架明確要求不允許有皺紋、波紋、劃傷等表面缺陷[6]。折疊類缺陷是一種常見的鋼板邊部變形缺陷[7]，然而鮮有研究報(bào)道折疊類表面缺陷對(duì)油管支架疲勞壽命的影響。

本研究以發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)油管支架為研究對(duì)象，置于臺(tái)架平臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)直至發(fā)生斷裂，分析支架折疊類表面缺陷對(duì)早期疲勞斷裂的影響，以制定合理的優(yōu)化改進(jìn)措施。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

進(jìn)油管及支架材質(zhì)均為低碳鋼，其中支架材料為DC01。支架在U 型豁口B 側(cè)進(jìn)行90°折彎處理，而進(jìn)油管也在相對(duì)應(yīng)位置附近進(jìn)行90°折彎，支架U 型豁口的A、B 兩側(cè)分別與進(jìn)油管經(jīng)軟釬焊工藝連接在一起，二者表面再進(jìn)行鍍鋅處理（圖1）。發(fā)動(dòng)機(jī)裝配時(shí)將進(jìn)油管通過(guò)支架的螺栓孔用螺栓連接固定。平臺(tái)試驗(yàn)時(shí)該支架處于機(jī)械振動(dòng)引起的循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)，試驗(yàn)進(jìn)行35 h 后發(fā)現(xiàn)進(jìn)油管及其支架開裂?，F(xiàn)場(chǎng)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)證實(shí)，支架先于進(jìn)油管產(chǎn)生裂紋與斷裂，支架斷后產(chǎn)生較大的宏觀扭曲變形，之后油管發(fā)生被動(dòng)破壞。支架表面目視可見宏觀裂紋，支架的開裂部位均為靠近折彎側(cè)的U 型豁口轉(zhuǎn)角（圖1 中的B 側(cè)），而進(jìn)油管的開裂位置則不固定，處于釬焊區(qū)與進(jìn)油管折彎處之間的范圍。

圖1 開裂的進(jìn)油管及支架Fig.1 Cracked oil inlet and bracket

采用Keyence VHX-1000 型超景深三維光學(xué)顯微鏡對(duì)支架斷口進(jìn)行宏觀體視學(xué)觀察，然后使用Quanta FEG650 型掃描電鏡進(jìn)行斷口分析；使用Spectro Max 型直讀光譜儀和Eltra CS800 型碳硫分析儀進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)；在支架斷裂位置取樣制備縱剖面金相試樣，進(jìn)行磨拋處理，拋光后或者經(jīng)4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）硝酸酒精浸蝕后，使用Zeiss Axio Imager M2m 型顯微鏡進(jìn)行金相分析。

1.1 斷口宏觀觀察

體視學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)，支架斷口較為平齊，斷面有金屬光澤；支架斷口裂紋源區(qū)位于靠近折彎側(cè)（圖1所示B 側(cè)）的U 型豁口根部表面，為線源起裂，擴(kuò)展區(qū)呈放射狀（圖2）。

圖2 支架斷口形貌Fig.2 Fracture morphology of the bracket

1.2 斷口微觀觀察

掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋源區(qū)呈磨損形貌（圖3a）；裂紋擴(kuò)展區(qū)局部呈磨損形貌，發(fā)現(xiàn)疲勞條帶的形貌特征（圖3b）；斷面未見明顯的材料缺陷，斷口附近未見明顯的腐蝕痕跡或氧化現(xiàn)象。

1.3 化學(xué)成分分析

光譜分析與碳硫分析的結(jié)果顯示，支架的化學(xué)成分均符合冷軋低碳鋼板DC01 的材料規(guī)范要求（GB/T 5213—2008）。

1.4 金相檢驗(yàn)

根據(jù)斷口分析的結(jié)果，可推斷支架的失效為振動(dòng)疲勞引起的斷裂。通過(guò)在不同的支架取樣做金相檢驗(yàn)，并在特征區(qū)域輔以掃描電鏡能譜分析，進(jìn)一步探究疲勞裂紋的起源。

圖3 斷口微觀形貌Fig.3 Fracture morphology

1）在支架斷裂處取樣，經(jīng)鑲嵌與磨拋處理后使用顯微鏡觀察其微觀特征。圖4 顯示支架的主裂紋及其兩側(cè)的形貌特征，其中一側(cè)存在若干微裂紋與二次裂紋，而這些裂紋均位于支架U 型豁口的折彎一側(cè)。

進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，支架U 型豁口機(jī)加工表面存在較多的折疊類缺陷，且被鍍鋅層包覆著。主裂紋起始端殘存少量鍍鋅層，這表明表面缺陷是在鍍鋅處理之前就已經(jīng)存在（圖5a）；主裂紋附近有1 條微裂紋，該裂紋起源于表面缺陷尖端（圖5b）。這表明支架U 型豁口處的疲勞裂紋與表面折疊類缺陷有關(guān)，且易于在缺陷的應(yīng)力集中處（即尖端）形成裂紋源。

圖4 支架主裂紋的磨拋態(tài)形貌Fig.4 As-polished appearance of the main crack of the bracket

圖5 表面缺陷及裂紋Fig.5 Surface defects and cracks

浸蝕后觀察可知，支架的金相組織為鐵素體+極少量珠光體（圖6），符合材料規(guī)范要求。圖6中標(biāo)出主裂紋附近微裂紋的擴(kuò)展前沿，可以看出裂紋以穿晶方式進(jìn)行擴(kuò)展。

圖6 微裂紋擴(kuò)展前沿的金相組織Fig.6 Microstructure of propagation front of small crack

2）在同一批次來(lái)料的未試驗(yàn)件與試驗(yàn)件抽檢中，支架的直角折彎處的內(nèi)外兩側(cè)表面均未發(fā)現(xiàn)任何裂紋，可排除冷彎加工引起原始裂紋的可能性。

3）在同一批次來(lái)料的未試驗(yàn)件抽檢中，發(fā)現(xiàn)支架U 型豁口同樣位置（靠近折彎側(cè)的U 字轉(zhuǎn)角）也存在該類型的表面缺陷（圖7a）；另外，在同一批次來(lái)料的試驗(yàn)后支架的同樣位置也發(fā)現(xiàn)類似的表面缺陷（圖7b）；該工件表面雖目視未見任何裂痕，但微觀觀察發(fā)現(xiàn)在表面缺陷的根部位置萌生微裂紋。對(duì)圖7b 的特征位置進(jìn)行能譜分析，Zn 元素面掃描的結(jié)果顯示，Zn 元素僅存在于支架表面及折疊缺陷的開口表面，說(shuō)明表面缺陷在鍍鋅處理之前就已存在（圖7c）；同時(shí)確認(rèn)Zn 元素未沿微裂紋滲入支架亞表層，進(jìn)一步排除微裂紋在鍍鋅處理前產(chǎn)生的可能性。

4）使用化學(xué)溶劑溶去支架表面的鍍鋅層后，使用超景深三維光學(xué)顯微鏡觀察U 型豁口處的表面形貌。機(jī)加工表面異常粗糙，存在較為明顯的刀痕紋路（圖8），又因鋼板的硬度特別低（≤HV 95），加工表面極易形成冷加工折疊缺陷。這與前述拋光試樣的金相檢驗(yàn)結(jié)果吻合。

2 分析與討論

圖7 同批次支架的表面缺陷Fig.7 Surface defects of brackets from the same batch

圖8 U 型豁口處機(jī)加工表面溶去鍍鋅層后的形貌Fig.8 Morphology of as-machined surface at rounding U-notch zone after the zinc coating is dissolved

本研究對(duì)象屬于復(fù)合型應(yīng)力集中[8]的特殊案例，進(jìn)油管支架的U 型豁口本身就因幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)即存在應(yīng)力集中，而U 型豁口的根部表面還存在開口型的折疊類缺陷，進(jìn)一步加劇應(yīng)力集中效應(yīng)。若單從考慮局部應(yīng)力集中的角度來(lái)研究缺口引起的應(yīng)力，在單軸拉伸載荷下，假定薄扁平狀構(gòu)件帶有淺缺口，底部邊緣與缺口有較大距離，則淺缺口的應(yīng)力集中因子Kt僅是缺口深度t 和曲率半徑r 的函數(shù)，可表示為：

由此可見，缺口深度越大，曲率半徑越小，應(yīng)力集中因子越大，應(yīng)力集中效應(yīng)越明顯。反之，若降低應(yīng)力集中因子，則需減小缺口深度，增大曲率半徑。支架的U 型豁口具有較大的應(yīng)力集中因子，如果將之改為臥式C 型豁口，將會(huì)增大缺口底部的曲率半徑，應(yīng)力集中因子則顯著降低。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)支架承受循環(huán)的彎曲疲勞載荷，U 型豁口表面具有較高的應(yīng)力集中因子，因而易在該位置形成疲勞裂紋源。在遠(yuǎn)低于拉伸屈服應(yīng)力的振動(dòng)載荷下，支架表面缺陷處的表層鐵素體晶粒內(nèi)部沿最大剪切應(yīng)力方向進(jìn)行滑移而產(chǎn)生微觀塑性變形，使該晶粒內(nèi)部形成顯微裂紋[9]。在疲勞載荷反復(fù)作用下，高應(yīng)力局部附近平面開始萌生裂紋[10]，并具有穿晶的特征[11]。這與金相檢驗(yàn)結(jié)果是吻合的。從裂紋擴(kuò)展基礎(chǔ)理論來(lái)分析，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，支架承受的循環(huán)載荷可提供裂紋尖端塑性變形和產(chǎn)生新的斷裂面所吸收的能量，而且裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)在本質(zhì)上確保有足夠的應(yīng)力，即同時(shí)滿足裂紋擴(kuò)展的熱力學(xué)準(zhǔn)則和應(yīng)力準(zhǔn)則這2 個(gè)條件[12]。每個(gè)應(yīng)力加載與卸載循環(huán)均造成裂紋尖端不可逆的塑性變形，其結(jié)果是疲勞裂紋在支架的延性鐵素體中向前擴(kuò)展，且呈現(xiàn)疲勞條帶的特征。

3 改進(jìn)措施

根據(jù)對(duì)支架疲勞斷裂的失效分析，對(duì)支架做出如下改進(jìn)：

1）應(yīng)重視支架產(chǎn)品表面質(zhì)量控制及檢驗(yàn)[13-14]，對(duì)表面不連續(xù)缺陷的面積、深度、數(shù)量制定嚴(yán)格的要求，應(yīng)確保無(wú)起皮、銹斑、折疊、分層和針眼等有害缺陷。

2）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小豁口處的應(yīng)力集中因子，由U 型豁口改為臥式C 型豁口。

3）改進(jìn)豁口加工的工藝，避免粗放式加工，改為精細(xì)加工，確保機(jī)加工表面無(wú)較深的刀紋痕跡及局部微觀折疊缺陷，同時(shí)進(jìn)一步改善加工面的粗糙度。

據(jù)此進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)后，極大降低應(yīng)力集中效應(yīng)，增強(qiáng)支架的表面質(zhì)量，提高支架的使用性能，無(wú)類似斷裂失效發(fā)生。

4 結(jié)論

1）支架的化學(xué)成分與金相組織均符合材料要求。

2）支架均起斷于U 型豁口處應(yīng)力集中部位，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不良造成應(yīng)力集中是支架早期疲勞斷裂失效的主導(dǎo)因素。

3）在應(yīng)力集中引起的高載荷循環(huán)作用下，支架U 型豁口處表面的冷加工折疊類缺陷萌生疲勞裂紋源，裂紋不斷擴(kuò)展至終斷。

4）通過(guò)針對(duì)性地優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制鋼板表面質(zhì)量，可避免進(jìn)油管支架的早期失效。