發(fā)動(dòng)機(jī)鑄鐵氣缸蓋熱處理前后的殘余應(yīng)力對(duì)比

劉慶義,姜愛龍,陳 靜,陳懷寧,李東旭

(1.濰柴動(dòng)力股份有限公司，濰坊 261000；2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所 核用材料安全與評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110016)

應(yīng)力是造成發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生裂紋和加工尺寸穩(wěn)定性差的原因之一。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，氣缸蓋會(huì)受到螺栓緊固力、燃?xì)獗l(fā)壓力以及活塞、連桿等產(chǎn)生的慣性力和離心力的作用，這些大小和方向都不相同的力，會(huì)使氣缸蓋發(fā)生輕微的彎曲和扭轉(zhuǎn)。另外，在氣缸蓋鑄造過程中，會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這使得氣缸蓋的應(yīng)力狀態(tài)更為復(fù)雜[1]。采取一些措施可以降低氣缸蓋生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的鑄造殘余應(yīng)力。一般通過熱處理消除工件的鑄造殘余應(yīng)力，不同熱處理工藝消除殘余應(yīng)力的效果略有不同，這是由熱處理消除殘余應(yīng)力的機(jī)理決定的[2]。所以，準(zhǔn)確測(cè)定氣缸蓋在熱處理前后的殘余應(yīng)力，是制定熱處理工藝的首要前提。目前，國(guó)內(nèi)氣缸蓋殘余應(yīng)力檢測(cè)方法主要有盲孔法[3]和全釋放應(yīng)變法。兩種方法一般都適合表面殘余應(yīng)力的檢測(cè)，但對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋，僅通過表面殘余應(yīng)力來評(píng)價(jià)熱處理前后的殘余應(yīng)力狀態(tài)是不全面的。

為此筆者針對(duì)灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵兩種氣缸蓋，采用壓痕應(yīng)變法、全釋放應(yīng)變法和深孔(Deep-Hole Drill，DHD)法檢測(cè)其在熱處理前后的殘余應(yīng)力,來評(píng)價(jià)熱處理消除殘余應(yīng)力的效果。壓痕應(yīng)變法用于測(cè)量氣缸蓋的表面殘余應(yīng)力，并通過全釋放應(yīng)變法對(duì)各檢測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)證，然后采用DHD法對(duì)氣缸蓋深度方向的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，以獲得較全面的殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果。

1 檢測(cè)原理

1.1 壓痕應(yīng)變法和全釋放應(yīng)變法

壓痕應(yīng)變法是通過壓痕外彈性區(qū)的應(yīng)變?cè)隽壳蠼庠細(xì)堄鄳?yīng)力的方法，采用應(yīng)變片作為測(cè)量用敏感元件，在應(yīng)變花中心部位采用沖擊加載方式制造壓痕，通過記錄壓痕外彈性區(qū)應(yīng)變?cè)隽康淖兓?，再?jì)算得出殘余應(yīng)力。壓痕應(yīng)變法檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性高、穩(wěn)定性好且操作便捷，是目前不依賴于材料的物性參數(shù)且最接近無損檢測(cè)的一種應(yīng)力檢測(cè)方法[4]。壓痕應(yīng)變法多用于檢測(cè)鋼結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力，在鋁合金、鈦合金等結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用也逐漸增多。壓痕應(yīng)變法的檢測(cè)范圍不受材料限制，對(duì)于不同的材料，需要獲得與每種材料力學(xué)特性相關(guān)的殘余應(yīng)力計(jì)算函數(shù)，這決定了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。根據(jù)GB/T 24179—2009《金屬材料 殘余應(yīng)力測(cè)定 壓痕應(yīng)變法》，作者采用試驗(yàn)標(biāo)定和模擬標(biāo)定結(jié)合的方式，獲得了灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵的應(yīng)力計(jì)算函數(shù)，見式(1)和式(2)。

Y=-419-0.285 01X-1.315×10-5X2-

1.182 89×10-8X3

(1)

Y=-351-0.213 69X-1.918 16×10-5X2-

1.209 07×10-8X3

(2)

式中：Y為彈性應(yīng)變；X為應(yīng)變?cè)隽?，即壓痕前后的?yīng)變變化量。

根據(jù)GB/T 31218—2014《金屬材料 殘余應(yīng)力測(cè)定 全釋放應(yīng)變法》，通過測(cè)得X，就可以計(jì)算得到Y(jié)，再依據(jù)胡克定律，便可獲得殘余應(yīng)力。采用全釋放應(yīng)變法可以對(duì)壓痕應(yīng)變法的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，全釋放應(yīng)變法的檢測(cè)原理也是基于胡克定律，用于表征解剖后小塊近表面的殘余應(yīng)力[5]。作者采用的壓痕應(yīng)變法檢測(cè)設(shè)備是中國(guó)科學(xué)院金屬研究所自主研發(fā)的KJS系應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)，見圖1，該系統(tǒng)包括KJS系應(yīng)力檢測(cè)儀和FS4240型帶鋸床及DK7735型電火花切割機(jī)。

圖1 KJS系應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)

1.2 DHD法

DHD法是目前檢測(cè)結(jié)構(gòu)材料深度方向殘余應(yīng)力水平的主要方法之一。國(guó)外學(xué)者們采用DHD法主要用于研究鋼結(jié)構(gòu)和焊接件[6-7]，國(guó)內(nèi)研究較少，僅在上海交通大學(xué)和中南林業(yè)科技大學(xué)有過初步的研究結(jié)果[8]，并未在實(shí)際結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力檢測(cè)中得以推廣應(yīng)用。DHD法檢測(cè)過程見圖2，簡(jiǎn)化后的計(jì)算公式見式(3)和式(4)。

圖2 DHD法的檢測(cè)過程示意

(3)

(4)

式中：θ為測(cè)試角度；Z為測(cè)試深度，其中0°和90°方向可定義為x和y方向或1和3方向，即主應(yīng)力方向；ε為應(yīng)變；d0為測(cè)孔初始直徑；d為套孔后測(cè)孔直徑；E為材料的彈性模量；σ(Zi)為不同深度處的殘余應(yīng)力。

通過準(zhǔn)確測(cè)量出測(cè)孔在套孔前(見圖2步驟2)后(見圖2步驟4)的直徑變化，可以計(jì)算出殘余應(yīng)力的大小。作者在進(jìn)行DHD法檢測(cè)殘余應(yīng)力時(shí),采用DIATEST 3.0內(nèi)徑測(cè)量?jī)x和電火花(Electrical Discharge Machining，EDM)切割技術(shù)。

2 氣缸蓋熱處理前后的殘余應(yīng)力檢測(cè)

2.1 壓痕應(yīng)變法檢測(cè)結(jié)果

氣缸蓋材料有灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵兩種材料,共有4種型號(hào)的氣缸蓋，分別記為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)氣缸蓋。1,2,3號(hào)氣缸蓋材料為灰鑄鐵，4號(hào)氣缸蓋材料為蠕墨鑄鐵。1號(hào)和2號(hào)氣缸蓋是規(guī)格相似的小型氣缸蓋，3號(hào)和4號(hào)氣缸蓋規(guī)格相對(duì)較大。

殘余應(yīng)力檢測(cè)位置見圖3，1號(hào)和2號(hào)氣缸蓋表面有4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，3號(hào)和4號(hào)氣缸蓋表面有3個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。壓痕應(yīng)變法檢測(cè)結(jié)果見表2，全釋放應(yīng)變法檢測(cè)結(jié)果見表3，表中σ1，σ2為殘余主應(yīng)力。由表1和表2可見，氣缸蓋表面殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，壓痕應(yīng)變法和全釋放應(yīng)變法的殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果一致，從表面檢測(cè)結(jié)果來看，熱處理后氣缸蓋表面壓應(yīng)力力未明顯減小。

圖3 氣缸蓋殘余應(yīng)力檢測(cè)位置示意

表1 不同氣缸蓋表面不同位置殘余應(yīng)力的壓痕應(yīng)變法檢測(cè)結(jié)果

表2 不同氣缸蓋表面不同位置殘余應(yīng)力的全釋放應(yīng)變法檢測(cè)結(jié)果

2.2 DHD法檢測(cè)結(jié)果

對(duì)1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)氣缸蓋的檢測(cè)點(diǎn)1，2號(hào)氣缸蓋的檢測(cè)點(diǎn)3進(jìn)行深度方向的殘余應(yīng)力檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見圖4。氣缸蓋深度方向的殘余應(yīng)力基本在拉、壓狀態(tài)間變化，拉應(yīng)力峰值在40 MPa左右，熱處理后氣缸蓋的殘余拉應(yīng)力峰值未有降低。

從DHD法檢測(cè)結(jié)果(圖4)還可見：1號(hào)氣缸蓋熱處理前為壓應(yīng)力狀態(tài)，熱處理后殘余應(yīng)力性質(zhì)有所改變，壓應(yīng)力峰值降低；2號(hào)氣缸蓋熱處理前后的殘余應(yīng)力水平幾乎沒有變化，保持在-40～40 MPa；3號(hào)氣缸蓋熱處理后的殘余壓應(yīng)力峰值有所降低，拉應(yīng)力峰值基本維持在40 MPa以下；4號(hào)氣缸蓋熱處理前后的殘余應(yīng)力分布基本無變化，說明熱處理工藝沒有明顯降低氣缸蓋的殘余應(yīng)力水平。對(duì)比壓痕應(yīng)變法、全釋放應(yīng)變法及DHD法的檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氣缸蓋表面殘余應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，前兩種方法的檢測(cè)結(jié)果一致，全釋放應(yīng)變法測(cè)得的數(shù)值略低，這與DHD法測(cè)得氣缸蓋深度方向的殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果也是相符的。

圖4 不同氣缸蓋不同位置殘余應(yīng)力的DHD法檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

(1)通過壓痕應(yīng)變法和全釋放應(yīng)變法測(cè)得氣缸蓋表面的殘余應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，兩種方法測(cè)得的殘余應(yīng)力水平相當(dāng)。除3號(hào)氣缸蓋外，其余氣缸蓋熱處理后的表面壓應(yīng)力基本沒有下降。

(2)通過DHD法測(cè)得氣缸蓋深度方向存在拉應(yīng)力，熱處理后氣缸蓋深度方向的拉應(yīng)力峰值沒有降低。

(3)3號(hào)氣缸蓋可以通過熱處理工藝消除表面殘余應(yīng)力，其余氣缸蓋熱處理前的殘余應(yīng)力水平較低，無需進(jìn)行熱處理。