36MnVS4和46MnVS5連桿裂解性能差異性研究及質(zhì)量缺陷分析

孔彥坤 鄧偉 金國(guó)忠 雷基林 陳麗瓊 賈德文

摘要：

針對(duì)高強(qiáng)度的36MnVS4和46MnVS5兩種裂解連桿用非調(diào)質(zhì)材料，開(kāi)展了連桿裂解加工性能的對(duì)比分析，探究了影響連桿裂解質(zhì)量的原因，并對(duì)連桿裂解加工的邊界作出了優(yōu)化，分析了連桿結(jié)構(gòu)對(duì)裂解加工性能的影響。根據(jù)連桿實(shí)際裂解加工特性，設(shè)置了有限元模擬的邊界條件。通過(guò)分析裂解槽根部的主應(yīng)力和塑性應(yīng)變的分布特征，獲得了不同材料連桿的裂紋萌生位置；用ABAQUS和FRANC3D兩個(gè)有限元軟件模擬了連桿裂解的裂紋擴(kuò)展過(guò)程，并進(jìn)行了對(duì)比分析；優(yōu)化了36MnVS4材料裂解加工的加載速度；分析了連桿結(jié)構(gòu)對(duì)裂解性能的影響。研究結(jié)果表明：在相同邊界條件下，46MnVS5材料裂解性能較好，裂紋萌生位置趨向于唯一，缺口敏感性低、斷裂脆性較好、裂解速度較快，所需的裂解載荷更大；在25 mm/s的加載速度下，36MnVS4材料的裂解性能得到優(yōu)化；理論斷裂面面積較小的連桿結(jié)構(gòu)裂解性能相對(duì)較好。

關(guān)鍵詞：裂解性能；裂紋萌生；裂紋擴(kuò)展；加載速度；理論斷裂面

中圖分類號(hào)：TK406

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.06.016

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Research on Difference of Fracture Splitting Performance and Quality

Defect Analysis for 36MnVS4 and 46MnVS5 Connecting Rods

KONG Yankun1? DENG Wei1? JIN Guozhong2? LEI Jilin1? CHEN Liqiong3? JIA Dewen1

1.Yunnan Key Laboratory of Internal Combustion Engines，Kunming University of Science and

Technology，Kunming，650500

2. Maanshan Iron & Steel Co.，Ltd.，Maanshan，Anhui，243000

3.Kunming Yunnei Power Co.，Ltd.，Kunming，650200

Abstract： A comparative analysis was conducted on the fracture splitting processing performance of two types of high-strength connecting rods， 36MnVS4 and 46MnVS5， which were made from non-quenched and tempered materials. The reasons that affected the quality of connecting rod cracking were explored， and the boundaries for connecting rods cracking processing were optimized. The impacts of the connecting rod structures on the fracture-splitting processing performance were analyzed as well. The distribution characteristics of principal stresses and plastic strains at the roots of the cracking grooves were analyzed， and the crack initiation positions for connecting rods made of different materials were determined. The crack propagation processes of the connecting rods were simulated using the finite element software ABAQUS and FRANC3D， and a comparative analysis was conducted. The loading speed for the cracking processing of the 36MnVS4 materials was optimized. The impacts of the connecting rod structures on the cracking performance were analyzed.The results indicate that under the same boundary conditions， the cracking performance of 46MnVS5 material is better， with the tendency to have a unique crack initiation position， low notch sensitivity， good fracture brittleness， faster crack propagation speed， and higher required crack load. At a loading speed of 25 mm/s， the cracking performance of 36MnVS4 material improves. Connecting rod structures with smaller theoretical fracture surface area exhibit relatively better cracking performance.

Key words： fracture splitting performance； crack initiation； crack propagation； loading speed； theoretical fracture surface

收稿日期：20231021

基金項(xiàng)目：云南省科技廳重大科技專項(xiàng)（202202AC080006）

0? 引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的要求也不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)向著高功率、高可靠性、輕量化等方向發(fā)展［1］。連桿作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，其材質(zhì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命有著重要影響［2］。20世紀(jì)末興起于歐洲的連桿裂解（也稱脹斷）加工技術(shù)，以優(yōu)于傳統(tǒng)加工工藝的高效率、高精度、低成本等優(yōu)勢(shì)成為連桿加工的發(fā)展趨勢(shì)［3-5］。運(yùn)用此技術(shù)加工的連桿結(jié)構(gòu)緊湊、裝配精度高，提高了連桿的使用壽命［6-7］。目前，非調(diào)質(zhì)鋼裂解加工技術(shù)的應(yīng)用較為成熟，鈦合金等高強(qiáng)度材料的裂解加工技術(shù)也已有應(yīng)用［8-10］。

36MnVS4和46MnVS5連桿裂解性能差異性研究及質(zhì)量缺陷分析——孔彥坤? 鄧? 偉? 金國(guó)忠等

中國(guó)機(jī)械工程 第35卷 第6期 2024年6月

部分學(xué)者對(duì)裂解槽的加工進(jìn)行了深入的研究。KOU等［11-13］、高巖［14］研究了脈沖激光加工C70S6連桿裂解槽根部的應(yīng)力和相變硬化對(duì)脈沖激光加工裂解槽的影響;張沖等［15-16］、程焱［17］、張傳友等［18］研究了脈沖功率等因素對(duì)連桿裂解槽幾何尺寸的影響，并提出了優(yōu)化方案。由于連桿的裂解過(guò)程瞬間發(fā)生過(guò)程復(fù)雜，難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)捕捉斷裂過(guò)程和獲取數(shù)據(jù)，因此部分學(xué)者通過(guò)觀察斷裂面形貌和力學(xué)性能測(cè)定研究連桿的裂解性能［19］。

本文借助有限元數(shù)值模擬軟件，從連桿裂解三維裂紋的萌生位置、擴(kuò)展路徑、裂解載荷、裂解時(shí)間、加載速度、連桿結(jié)構(gòu)等多方面研究連桿的裂解性能，并通過(guò)對(duì)比分析36MnVS4和46MnVS5兩種材料的裂解性能，得出兩種材料各自的裂解特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果有利于提高連桿裂解加工的成品率，推動(dòng)高強(qiáng)度材料的應(yīng)用，降低生產(chǎn)技術(shù)成本，加快發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為企業(yè)裂解加工提供參考。

1? 材料性能

1.1? 材料微觀組織

本文研究的材料為36MnVS4和46MnVS5，兩種材料主要成分如表1所示，其中36 MnVS4材料成分參考文獻(xiàn)［20］。材料的金相組織如圖1所示。由表1和圖1可知，相較于36MnVS4，46MnVS5的V、Si含量雖然有所減少，但C含量有所增加，使得鐵素體比例明顯增大。珠光體的塑性、韌性較好，36MnVS4材料珠光體含量較多，導(dǎo)致了材料的斷裂脆性較差，而46MnVS5則相對(duì)較好。另外，46MnVS5的Mn含量比36MnVS4

要高出許多，材料的晶粒得到明顯細(xì)化，后續(xù)的切削加工性能得到改善，降低了刀具的磨損量，使用壽命也有所提高，但錳含量的增加也造成了材料的制造成本上升。

1.2? 材料力學(xué)性能

從46MnVS5連桿桿身部位取樣做拉伸試驗(yàn)獲得材料的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，并經(jīng)過(guò)公式計(jì)算得出材料的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。36MnVS4材料的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線參考文獻(xiàn)［20］，如圖2所示，材料的力學(xué)性能如表2所示。由圖2和表2可知，46MnVS5塑性階段的變形較為規(guī)律，隨應(yīng)力的增大基本呈直線上升。兩種材料的彈性模量和泊松比相差不大，但46MnVS5材料強(qiáng)度高出36MnVS4許多，尤其是斷裂強(qiáng)度，比36MnVS4高出200多MPa，除此之外，46MnVS5材料的韌性也相對(duì)較好，這使得它能夠承受發(fā)動(dòng)機(jī)更高的爆發(fā)壓力，并且使用壽命也較長(zhǎng)。在相同的爆發(fā)壓力下，46MnVS5連桿輕量化的潛力也更高，只是46MnVS5的裂解加工性能好壞還有待進(jìn)一步研究。

2? 模型構(gòu)建及斷裂理論

2.1? 有限元模型構(gòu)建

模擬樣件的毛坯如圖3所示，其中大頭孔直徑為34 mm，大小頭孔中心距為113 mm，螺栓孔直徑為6 mm，小頭孔直徑為14 mm，厚度為22.4 mm，裂解槽尺寸如圖中紅圈所示，槽深為0.4 mm，曲率半徑為0.15 mm，張角為50°，裂解槽實(shí)物如圖4所示。由于連桿的幾何形狀和受力情況基于大小頭中心線和厚度方向中面對(duì)稱，并且桿身及連桿小頭等區(qū)域?qū)B桿裂解沒(méi)有影響，因此忽略無(wú)影響區(qū)域構(gòu)建連桿大頭四分之一模型，如圖5所示。

為了使有限元模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確，將有限元模擬的邊界條件設(shè)置得與實(shí)驗(yàn)一致。連桿在裂解加工時(shí)，需將動(dòng)塊與連桿小頭之間的部位固定，只允許動(dòng)塊與連桿蓋之間部位可以移動(dòng)，因此根據(jù)連桿裂解加工時(shí)的真實(shí)工況對(duì)定塊施加完全固定約束，對(duì)動(dòng)塊施加x方向上10 mm/s的速度載荷，對(duì)連桿施加y方向和z方向的固定約束，允許連桿存在x方向上的自由度。

2.2? 斷裂理論分析

由材料的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線可以得出，兩種材料均屬于彈塑性材料，但通過(guò)觀察兩種材料連桿經(jīng)裂解加工后斷裂面的形貌發(fā)現(xiàn)，斷裂面并未發(fā)生明顯的塑性變形，因此可以基本確定連桿裂解屬于彈塑性材料在低應(yīng)力下的Ⅰ型脆性斷裂［21］?？蓪⑦B桿的斷裂過(guò)程簡(jiǎn)化為線彈性斷裂。在線彈性斷裂力學(xué)中有多種斷裂準(zhǔn)則，即與能量釋放率相關(guān)的G準(zhǔn)則、與應(yīng)力強(qiáng)度因子相關(guān)的K準(zhǔn)則、與裂紋尖端應(yīng)力相關(guān)的最大應(yīng)力準(zhǔn)則等［22］。本文將采用ABAQUS XFEM和FRANC3D有限元軟件模擬連桿的裂解加工過(guò)程，并且根據(jù)有限元軟件的特性分別確定斷裂準(zhǔn)則。由于連桿裂解屬于典型的Ⅰ型斷裂，因此在ABAQUS XFEM中采用最大主應(yīng)力準(zhǔn)則準(zhǔn)則作為斷裂準(zhǔn)則。當(dāng)最大主應(yīng)力達(dá)到材料的斷裂應(yīng)力時(shí)，材料將被視為斷裂。FRANC3D則采用K準(zhǔn)則作為斷裂準(zhǔn)則。

連桿裂解過(guò)程裂解槽根部的應(yīng)力應(yīng)變方程如下［23］：

σx=KI2πrcosθ2（1+sinθ2sin3θ2）+KI2πrρ2rcos3θ2

σy=KI2πrcosθ2（1－sinθ2sin3θ2）－KI2πrρ2rcos3θ2

τxy=KI2πrcosθ2sinθ2cos3θ2 －KI2πrρ2rcos3θ2

τxz=τyz=0

σz=ν（σx+σy）? 平面應(yīng)力

σz=0平面應(yīng)變（1）

式中，ρ為裂解槽曲率半徑；r、θ為裂解槽極坐標(biāo)；σx、σy、σz、τxy、τxz、τyz為應(yīng)力分量；KI為張開(kāi)型應(yīng)力強(qiáng)度因子。

3? 裂紋萌生前仿真分析

本文將從裂解前的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、裂紋萌生位置和裂解完成后的裂紋擴(kuò)展路徑、裂解載荷、裂解速度、裂解所用時(shí)間等方面進(jìn)行對(duì)比分析，探究?jī)煞N材料連桿裂解性能的優(yōu)劣及缺陷產(chǎn)生的原因。

3.1? 應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)及裂紋萌生位置

圖6為兩種材料連桿起裂前的第一主應(yīng)力云圖，由圖可知36MnVS4的應(yīng)力集中程度明顯高于46MnVS5的應(yīng)力集中程度，但兩者最大主應(yīng)力值均出現(xiàn)在裂解槽根部，由于36MnVS4材料的斷裂應(yīng)力較小，且應(yīng)力集中程度較高，因此在相同的載荷條件下，36MnVS4材料會(huì)率先萌生裂紋。

為了探究裂紋的萌生位置，提取裂解槽根部的主應(yīng)力數(shù)據(jù)，如圖7所示。46MnVS5主應(yīng)力從中面到端面呈曲線下降，在靠近端面處下降速率較大，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在連桿中面處的裂解槽根。36MnVS4材料在裂解槽根部的主應(yīng)力分布較為均勻，除端面處下降速率較大，其余位置主應(yīng)力值基本相等。相較于36MnVS4，46MnVS5連桿裂紋萌生位置更趨向于唯一，連桿中面處的主應(yīng)力值會(huì)率先到達(dá)斷裂應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋。而36MnVS4材料裂紋萌生位置隨機(jī)，并不穩(wěn)定。

3.2? 等效塑性應(yīng)變

圖8為兩種材料的等效塑性應(yīng)變分布圖。由圖8可知，兩種連桿材料均在裂解槽根部產(chǎn)生了較大的塑性變形，在大頭孔壁面上產(chǎn)生了小范圍的塑性變形且變形量較小，但36MnVS4的塑性區(qū)域明顯小于46MnVS5的塑性區(qū)域，這也進(jìn)一步說(shuō)明了36MnVS4的應(yīng)力集中程度高。另外46MnVS5材料的最大等效塑性應(yīng)變值出現(xiàn)在連桿中面處的裂解槽根，分布規(guī)律與主應(yīng)力分布相似，而36MnVS4并未出現(xiàn)明顯的塑性應(yīng)變峰值點(diǎn)。

為了更加直觀地表征裂解槽根部的塑性應(yīng)變分布情況，提取了裂解槽根部的塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)（圖9）。兩種材料的塑性應(yīng)變變化趨勢(shì)情況均與主應(yīng)力相似，差別在于36MnVS4塑性應(yīng)變值較大，而46MnVS5相對(duì)較小，這主要是由于36MnVS4屈服強(qiáng)度較低，導(dǎo)致其過(guò)早地進(jìn)入塑性區(qū)。

4? 裂紋擴(kuò)展仿真分析

4.1? 裂紋擴(kuò)展過(guò)程分析

為了確保仿真結(jié)果的正確性，分別通過(guò)ABAQUS XFEM和FRANC3D模擬了兩種材料連桿在相同邊界條件下的裂紋擴(kuò)展過(guò)程，如圖10和圖11所示，可知兩種材料在相同模型和邊界條件下的裂紋擴(kuò)展路徑并不相同，其中46MnVS5連桿的裂紋擴(kuò)展路徑較為穩(wěn)定，并未出現(xiàn)較大程度的裂紋彎折。反觀36MnVS4連桿的裂解過(guò)程，在兩個(gè)軟件的仿真模擬中均表現(xiàn)出不同程度的裂紋彎折，裂紋擴(kuò)展路徑不穩(wěn)定。并且裂紋彎折大都出現(xiàn)在端面和中面螺栓孔處。

通過(guò)FRANC3D軟件模擬了兩種材料在相同擴(kuò)展步長(zhǎng)下的裂紋擴(kuò)展路徑，如圖12所示。由圖12可知，當(dāng)裂紋前緣將要到達(dá)螺栓孔時(shí)，兩種材料連桿裂紋前緣均發(fā)生了嚴(yán)重的扭曲，其中36MnVS4的扭曲更為嚴(yán)重，如圖12a中紅圈所示。在相同擴(kuò)展步長(zhǎng)情況下，裂紋前緣在y方向上的距離遠(yuǎn)近不一，說(shuō)明裂紋并未完全沿著y方向水平擴(kuò)展，而是進(jìn)行了x方向上的切向擴(kuò)展，加劇了斷裂面犬牙交錯(cuò)的程度。除去螺栓孔處，46MnVS5材料的擴(kuò)展路徑都較為規(guī)律。

4.2? 裂解載荷及速度分析

圖13為裂解載荷與加載時(shí)間關(guān)系圖，圖13b為圖13a中虛線圈內(nèi)的局部放大圖。36MnVS4裂解起止時(shí)間分別為7.301 ms和8.008 ms，46MnVS5的起止時(shí)間分別為7.384 ms和7.809 ms，前者的起裂時(shí)間比后者早了0.083 ms，但后者裂解結(jié)束時(shí)間比前者早了0.2 ms，說(shuō)明后者的裂解速度更快。36MnVS4和46MnVS5所需的裂解載荷分別為16 367 N和16 987 N，連桿加工生產(chǎn)企業(yè)在裂解設(shè)

備上測(cè)出的裂解載荷分別為15 986 N（36MnVS4）和16 197 N（46MnVS5），誤差分別為2.3%和4.7%，均在5%允許誤差內(nèi)，基本可以驗(yàn)證有限元模擬的準(zhǔn)確性。

4.3? 36MnVS4裂紋擴(kuò)展優(yōu)化

在起裂的瞬間，慣性會(huì)導(dǎo)致裂解載荷瞬時(shí)的下降。起裂后，46MnVS5的裂解載荷仍呈為直線上升趨勢(shì)，直至斷裂，因此可以得出46MnVS5材料裂解脆性較好，裂紋擴(kuò)展路徑較為穩(wěn)定的結(jié)論。反觀36MnVS4的裂解載荷則呈波動(dòng)上升狀態(tài)，直至斷裂，因此可以得出材料斷裂脆性較差，裂紋的擴(kuò)展路徑較為扭曲，加劇了斷裂面犬牙交錯(cuò)的可能性，裂解性能較差，容易產(chǎn)生質(zhì)量缺陷。

根據(jù)以上所述，36MnVS4在加載速度v=10 mm/s的加載條件下裂解性能較差。為了探究裂解過(guò)程與加載速度之間的關(guān)系，以及尋找到36MnVS4裂解性能最佳的加載條件，以下將通過(guò)改變加載速度探究36MnVS4的裂紋擴(kuò)展規(guī)律。以5 mm/s為一個(gè)梯度，設(shè)置速度分別為v=15 mm/s、v=20 mm/s、v=25 mm/s、v=30 mm/s。

不同加載速度下的裂紋擴(kuò)展過(guò)程如圖14所示。在v=25 mm/s的加載速度下，裂解性能相對(duì)較好，

裂紋并未產(chǎn)生較為明顯的扭曲。在v=15 mm/s、v=20 mm/s、v=30 mm/s的加載速度下，裂紋均產(chǎn)生了不同程度的扭曲，其中v=15 mm/s時(shí)，裂紋扭曲較為嚴(yán)重，而在v=20mm/s、v=30mm/s時(shí)，裂紋則發(fā)生了輕微的扭曲。結(jié)合圖15和表3可知，加載速度越大，載荷的增長(zhǎng)速率越大、起裂時(shí)間越早、裂解結(jié)束時(shí)間越早、裂解所需時(shí)間越短、裂紋擴(kuò)展速度越快。由于加載速度增大，導(dǎo)致36MnVS4所需的裂解載荷增大，其中加載速度為20 mm/s時(shí)所需的裂解載荷最大，達(dá)到18 256.7 N，而v=25 mm/s時(shí)所需的裂解載荷最小，為17 427.1 N，并且v=25 mm/s時(shí)的載荷增長(zhǎng)速率最為穩(wěn)定，基本呈直線上升，裂紋擴(kuò)展路徑最為穩(wěn)定。

圖16為連桿裂解加工后的斷裂面圖。46MnVS5連桿斷裂面表現(xiàn)出較好的脆性斷裂面（圖16a），并未出現(xiàn)較為明顯的裂紋彎折和塑性變形情況。36MnVS4連桿斷裂面產(chǎn)生了明顯的塑性變形（圖16b），螺栓孔部位產(chǎn)生了臺(tái)階和掉渣現(xiàn)象，缺陷位置與仿真結(jié)果裂紋彎折位置基本一致。采用v=25 mm/s加載速度的連桿斷裂面如圖16c所示，斷裂面雖然出現(xiàn)了塑性變形情況，但范圍較小，并且其余斷裂面相對(duì)較為平整，并未出現(xiàn)明顯的質(zhì)量缺陷。因此基本可以確定36MnVS4材料連桿在25 mm/s的加載速度下裂解性能相對(duì)較好。

連桿實(shí)際加工斷裂面電鏡掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖17所示，46MnVS5連桿斷裂面表現(xiàn)為脆性解理斷裂，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的塑性變形。反觀36MnVS4連桿斷裂面出現(xiàn)了明顯的塑性變形，導(dǎo)致了連桿在裂解過(guò)程中產(chǎn)生了裂紋的彎折現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)了掉渣和臺(tái)階等質(zhì)量缺陷。

4.4? 連桿結(jié)構(gòu)對(duì)裂解性能的影響分析

為了探究結(jié)構(gòu)對(duì)裂解性能的影響，針對(duì)市面上常見(jiàn)的三種連桿結(jié)構(gòu)（圓形、矩形、楔形）進(jìn)行了裂解過(guò)程的仿真對(duì)比分析，理論斷裂面見(jiàn)圖18。結(jié)合上述分析，36MnVS4材料圓形結(jié)構(gòu)連桿在加載速度為25 mm/s的情況下裂解性能較好，因此將矩形、楔形連桿裂解加載速度也設(shè)置為25 mm/s。

由圖19可知，在矩形連桿結(jié)構(gòu)裂解過(guò)程中，裂紋出現(xiàn)了輕微的扭曲，而楔形連桿結(jié)構(gòu)裂解過(guò)程則較為穩(wěn)定，裂紋并未出現(xiàn)明顯的扭曲情況，這也進(jìn)一步說(shuō)明了36MnVS4材料連桿裂解加工加載速度設(shè)為25 mm/s時(shí)裂解性能最好。表4列出了不同連桿結(jié)構(gòu)的裂解數(shù)據(jù)，其中矩形結(jié)構(gòu)連桿起裂時(shí)間最晚，并且裂解時(shí)間最長(zhǎng)，所需的裂解載荷也最大，楔形連桿

起裂時(shí)間最早，裂解時(shí)間最短，所需的裂解載荷也最小。與此相同的是，矩形連桿理論斷裂面面積最大，楔形連桿的理論斷裂面面積最小，圓形連桿則居于二者之間。圓形與楔形連桿的理論斷裂面面積增加了8.2%，裂解所用時(shí)間和裂解載荷分別增加了43.4%和3.4%，除裂解所用時(shí)間外，差異均較小。相對(duì)于矩形結(jié)構(gòu)，圓形結(jié)構(gòu)的理論斷裂面面積減少了80%，裂解所用時(shí)間和裂解載荷分別減少了191.2%和42.4%。由此可見(jiàn)，理論斷裂面面積增加將會(huì)導(dǎo)致裂解所用時(shí)間的大幅增加，加劇了裂紋擴(kuò)展路徑變化的可能，裂紋扭曲的可能性增大，也會(huì)導(dǎo)致裂解載荷的增大，從而所需的裂解設(shè)備的體積增大，所消耗的能源也會(huì)增加。因此可以認(rèn)為理論斷裂面面積較大的連桿結(jié)構(gòu)會(huì)影響裂紋的擴(kuò)展路徑，從而影響裂解性能。在相同材料情況下，連桿理論斷裂面面積越小所需裂解載荷越小，裂解所用時(shí)間越短，裂解性能越好。

5? 結(jié)論

本文通過(guò)構(gòu)建連桿三維有限元模型，運(yùn)用ABAQUS 和FRANC3D有限元斷裂分析軟件模擬了連桿的裂解加工過(guò)程，從連桿裂解三維裂紋的萌生位置、擴(kuò)展過(guò)程、擴(kuò)展路徑、裂解載荷、裂解時(shí)間等多方面對(duì)比分析了36MnVS4和46MnVS5兩種材料的裂解加工性能，綜合前面的分析結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）在相同的裂解參數(shù)條件下，兩種材料連桿在裂解加工過(guò)程中，裂紋都萌生于裂解槽根部，但36MnVS4材料裂紋萌生位置不唯一，而46MnVS5裂紋萌生位置趨向于唯一，即連桿中面處。前者的應(yīng)力集中程度較高，并且材料的力學(xué)性能較差，說(shuō)明材料的缺口敏感性較高，因此在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中更容易出現(xiàn)裂紋分叉現(xiàn)象。

（2）雖然46MnVS5材料的韌性較好，但由于其較高的碳含量和晶粒細(xì)化程度，使得材料在斷裂時(shí)更傾向于脆性斷裂。對(duì)比了兩個(gè)軟件得出的模擬結(jié)果，46MnVS5的裂紋擴(kuò)展過(guò)程都較為穩(wěn)定，裂解性能較好，而36MnVS4裂紋在擴(kuò)展時(shí)均產(chǎn)生了不同程度的裂紋彎折，裂解效果相對(duì)較差。

（3）裂解實(shí)驗(yàn)中，46MnVS5起裂時(shí)間比36MnVS4起裂時(shí)間晚了0.083 ms，但裂解結(jié)束時(shí)間卻早了0.2 ms， 46MnVS5材料的裂解速度更快，并且從材料的裂解載荷的增長(zhǎng)趨勢(shì)和裂紋擴(kuò)展路徑也可以得出，36MnVS4連桿內(nèi)部裂紋扭曲嚴(yán)重，裂紋擴(kuò)展不規(guī)律，加劇了斷裂面犬牙交錯(cuò)程度，更容易產(chǎn)生臺(tái)階、掉渣等質(zhì)量缺陷。但46MnVS5材料強(qiáng)度較高，所需要的裂解載荷也更大。

（4）通過(guò)仿真分析得出，改變加載速度可以改善36MnVS4材料的裂解性能。其中36MnVS4材料連桿加載速度為25 mm/s時(shí)的裂解性能較好，裂紋擴(kuò)展路徑最為穩(wěn)定。加載速度的增大會(huì)導(dǎo)致連桿裂解所需的載荷略有增加。通過(guò)連桿結(jié)構(gòu)對(duì)裂解數(shù)據(jù)的分析可知，裂解所需時(shí)間、裂解載荷等均與理論斷裂面面積成正比。圓形連桿理論斷裂面面積相較于楔形連桿理論斷裂面面積增大了8.2%，所需的裂解載荷和裂解所用時(shí)間分別增加了3.4%和43.4%；相較于矩形連桿，圓形連桿理論斷裂面面積減少了80%，所需的裂解載荷和裂解所用時(shí)間分別縮短了42.4%和191.2%。矩形連桿的裂解效果與圓形和楔形連桿相比較差，因此裂解加工連桿在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量選擇理論斷裂面面積較小的結(jié)構(gòu)（圓形、楔形）。

參考文獻(xiàn)：

［1］? 張傳友. 46MnVS5連桿裂解槽脈沖激光加工溫度場(chǎng)數(shù)值模擬及工藝研究［D］. 廣州：廣東工業(yè)大學(xué)， 2022.

ZHANG Chuanyou. Numerical Simulation of Temperature Field and Process Study of Pulsed Laser Processing of 46MnVS5 Connecting Rod Cracking Tank［D］. Guangzhou：Guangdong University of Technology， 2022.

［2］? ZHANG Z X， CHEN F Q， XIONG Z Y， et al. Fracture of High Carbon Microalloyed Steel Bars Used for Fracture Splitting Con-rods［J］. Advanced Materials Research， 2012， 535：561-565.

［3］? HENZLER P， TENGLER A. Method and Installation for Machining Machine Parts Having a Bearing Eye：U.S. Patent 5， 263， 622［P］. 1993-11-23.

［4］? BECKER L T. Method of Cracking a Connecting Rod：U.S. Patent 5， 274， 919［P］. 1994-1-4.

［5］? 楊宏宇. 連桿斷裂剖分過(guò)程數(shù)值模擬及主要裂解缺陷分析［D］. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)， 2014.

YANG Hongyu. Numerical Simulation of Connecting Rod Fracture Process and Analysis on Main Fracture Splitting Defects［D］. Changchun：Jilin University， 2014.

［6］? 楊慎華， 寇淑清， 谷諍巍，等. 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿裂解加工新技術(shù)［J］. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2000， 32（3）：129-131.

YANG Shenhua， KOU Shuqing， GU Zhengwei， et al. Fracture Splitting Processing of Engine Connecting Rod［J］. Journal of Harbin Institute of Technology， 2000， 32（3）：129-131.

［7］? 寇淑清， 楊慎華， 鄧春萍，等. 裂解工藝——發(fā)動(dòng)機(jī)連桿制造最新技術(shù)［J］. 中國(guó)機(jī)械工程， 2001， 12（7）：839-841.

KOU Shuqing， YANG Shenghua， DENG Chunping， et al. Fracture Splitting Technology—The Advanced Method in Manufacturing Engine Connecting Rod［J］. China Mechanical Engineering， 2001， 12（7）：839-841.

［8］? KUBOTA T， YAMAGATA H. Advanced Technology of Automotive Connecting Rod［J］. Materials Science Forum， 2007， 539/543：4850-4854.

［9］? KUBOTA T， DOI K， MURAKAMI T， et al. Development of Fracture-split Connecting Rods Made of Titanium Alloy for Use on Supersport Motorcycles［J］. SAE International Journal of Engines， 2016， 9（1）：483-490.

［10］? 鄧偉， 何葛豪， 賈德文，等. 基于正交實(shí)驗(yàn)的TC4鈦合金連桿鍛造工藝參數(shù)影響研究［J］. 鍛壓技術(shù)， 2023， 48（8）：1-10.

DENG Wei， HE Gehao， JIA Dewen， et al. Study on Influence of Forging Process Parameters for TC4 Titanium Alloy Connecting Rod Based on Orthogonal Test［J］. Forging & Stamping Technology， 2023， 48（8）：1-10.

［11］? KOU S， GAO Y， ZHAO Y， et al. Stress Analysis and Optimization of Nd：YAG Pulsed Laser Processing of Notches for Fracture Splitting of a C70S6 Connecting Rod［J］. Journal of Mechanical Science and Technology， 2017， 31：2467-2476.

［12］? KOU S Q， GAO Y， SHI Z. The Influence of Phase Transformation Hardening on Continuous Laser Processing of Notches for Fracture Splitting of a C70S6 Connecting Rod［C］∥IOP Conference Series：Materials Science and Engineering. Taizhong， IOP Publishing， 2017， 164：012024.

［13］? KOU S Q， GAO Y， GAO W Q. The Influence of Auxiliary Gases in the Optimized Analysis of Pulsed Laser Grooving of a C70S6 Connecting Rod for Fracture Splitting［J］. Results in Physics， 2017， 7：628-635.

［14］? 高巖. 脈沖激光切割裂解槽熱-力耦合仿真及輔助氣體流場(chǎng)分析［D］. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)， 2019.

GAO Yan. Thermal-mechanical Coupling Simulation and Auxiliary Gas Flow Field Analysis in Pulsed Laser Grooving for Fracture Splitting［D］.Changchun： Jilin University， 2019.

［15］? 張沖， 王冠， 楊志剛，等. 脈沖光纖激光加工36MnVS4連桿裂解槽的研究［J］. 激光與紅外， 2018， 48（3）：285-290.

ZHONG Chong， WANG Guan， YANG Zhigang， et al. Study on Fracture Splitting Groove of 36MnVS4 Connecting Rod Fabricated by Pulse Fiber Laser［J］. Laser & Infrared， 2018， 48（3）：285-290.

［16］? 張沖， 王冠， 楊志剛，等. 脈沖光纖激光切割連桿裂解槽工藝參量?jī)?yōu)化［J］.激光技術(shù)， 2018， 42（3）：422-426.

ZHANG Chong， WANG Guan， YANG Zhigang， et al. Optimization of Technology Parameters for Fracture Splitting Grooves of Connecting Rods Fabricated by Pulse Fiber Laser［J］. Laser Technology， 2018， 42（3）：422-426.

［17］? 程焱. 脈沖光纖激光加工36MnVS4連桿裂解槽裂紋擴(kuò)展的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究［D］. 廣州：廣東工業(yè)大學(xué)， 2021.

CHENG Yan. Numerical Simulation and Experimental Research on Crack Propagation of 36MnVS4 Connecting Rod Cracking Groove by Pulsed Fiber Laser Processing［D］. Guangzhou：Guangdong University of Technology， 2021.

［18］? 張傳友， 王冠， 劉贊豐， 等. 46MnVS5連桿裂解槽脈沖激光加工數(shù)值模擬研究［J］.激光雜志， 2022， 43（6）：35-40.

ZHANG Chuanyou， WANG Guan， LIU Zanfeng， et al. Numerical Simulation of Pulsed Laser Machining of 46MnVS5 Connecting Rod Cracking Slot［J］. Laser Journal， 2022， 43（6）：35-40.

［19］? 李曉輝. 中碳非調(diào)質(zhì)連桿脹斷缺陷與Nb微合金化研究［D］. 西寧：青海大學(xué)， 2018.

LI Xiaohui. The Splitting Fracture Defects and Nb-microalloyed of Air-cooled Medium Carbon Forging Steel Connecting Rod［D］.Xining： Qinghai University， 2018.

［20］? 石舟. 36MnVS4連桿裂解性能研究及脹斷缺陷評(píng)價(jià)［D］. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)， 2019.

SHI Zhou. Study on Fracture-splitting Performance of 36MnVS4 Connecting Rod and Evaluation of Fracture Defects［D］.Changchun：Jilin University， 2019.

［21］? 寇淑清， 宋瑋峰， 石舟. 36MnVS4連桿裂解加工模擬及缺陷分析［J］. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）， 2017， 47（3）：861-868.

KOU Shuqing， SONG Weifeng， SHI Zhou. Fracture Splitting Simulation and Defect Analysis of 36MnVS4 Connecting Rod［J］. Journal of Jilin University （Engineering and Technology Edition）， 2017， 47（3）：861-868.

［22］? SHI Z， KOU S. Analysis of Quality Defects in the Fracture Surface of Fracture Splitting Connecting Rod Based on Three-dimensional Crack Growth［J］. Results in Physics， 2018， 10：1022-1029.

［23］? KOU S， SHI Z， SONG W. Fracture-splitting Processing Performance Study and Comparison of the C70S6 and 36MnVS4 Connecting Rods［J］. SAE International Journal of Engines， 2018， 11（4）：463-474.

（編輯? 王艷麗）

作者簡(jiǎn)介：

孔彥坤，男，1999年生，碩士研究生。研究方向?yàn)檫B桿的裂解加工性能。E-mail：1437954790@qq.com。

鄧? 偉（通信作者），男，1976年生，教授級(jí)高級(jí)工程師。研究方向?yàn)檐囕v動(dòng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、車輛動(dòng)力輕量化與可靠性、車輛動(dòng)力關(guān)鍵零部件材料與制造工藝。E-mail：1323364897@qq.com。