連桿斷裂失效分析

邱元蒞，田國徽，杜發(fā)明，魏巍，羅雄

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連桿斷裂失效分析

邱元蒞，田國徽，杜發(fā)明，魏巍，羅雄

（成都市特種設(shè)備檢驗(yàn)院，四川 成都 610036）

通過發(fā)動(dòng)機(jī)連桿斷口宏微觀觀察、成分分析、金相組織檢查以及拉伸性能分析等方法對(duì)發(fā)生斷裂的連桿進(jìn)行了失效分析。分析結(jié)果表明：連桿斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。連桿在工作過程中，受到彎曲應(yīng)力作用，在端角部位萌生疲勞裂紋，在循環(huán)載荷作用下裂紋擴(kuò)展，直至連桿斷裂。

失效分析；疲勞斷裂；拉伸性能；微觀分析

某汽車在正常行駛過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)連桿突然發(fā)生斷裂，此時(shí)，該車?yán)塾?jì)行駛5萬公里。連桿材質(zhì)F30MnVS鋼。本文對(duì)該斷裂連桿的外觀、金相組織、化學(xué)成分和拉伸性能進(jìn)行檢查，對(duì)斷口進(jìn)行宏微觀觀察，分析斷裂原因。

1 檢驗(yàn)過程及結(jié)果

1.1 連桿外觀檢查

連桿及相應(yīng)活塞外觀如圖1，在連桿頸中間偏小端的部位發(fā)生斷裂，斷口與連桿軸頸傾斜相交，位于連桿大端一側(cè)的斷口變形損傷較重，如圖1（a）。相應(yīng)活塞表面周邊較光亮、有磨損，局部積碳明顯，殼體上端邊有打擊擦傷缺口，如圖1（b）和（c）。

1.2 斷口宏觀和微觀檢查

斷口宏觀如圖2所示，位于連桿小端側(cè)的斷口較平整、未見明顯塑性變形，由一側(cè)厚度邊起始，向另一側(cè)厚度邊擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展中前期表面局部擠壓、刮擦損傷明顯，裂紋擴(kuò)展中后期疲勞弧線明顯，如圖2（a）；位于連桿大端側(cè)的斷口擠壓、刮擦損傷較重，局部有變形，如圖2（b）。

為進(jìn)一步觀察斷口形貌，將連桿小端側(cè)斷口置于掃描電子顯微鏡下，相應(yīng)觀察位置如圖2所示，裂紋由位置①端角起始，沿橫向和縱向擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展路徑如圖2箭頭所示。

①為裂紋源區(qū)，位于端角，高倍形貌如圖3，磨損較重，有向外的放射棱線，斷口邊緣區(qū)域有較重的擠壓、磨損；②～④為裂紋橫向擴(kuò)展區(qū)，如圖4～圖6，隨著裂紋的擴(kuò)展，疲勞條帶寬度呈增大特征；⑤為裂紋縱向擴(kuò)展區(qū)，如圖7，中間區(qū)域較粗糙、呈條塊狀特征，兩側(cè)可見疲勞條帶；⑥為裂紋擴(kuò)展后期位置，如圖8，是疲勞條帶及條塊狀斷裂形貌；⑦為瞬斷區(qū)，如圖9，是韌窩和二次裂紋形貌[1]。

圖1 連桿及活塞外觀

圖2 斷口宏觀照片

圖3 源區(qū)及其附近擴(kuò)展區(qū)（位置①）形貌

圖4 裂紋橫向擴(kuò)展中前期（位置②）形貌

圖5 裂紋橫向擴(kuò)展中后期（位置③）形貌

1.3 化學(xué)成分分析

在連桿上制取化學(xué)試末，進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果及F30MnVS鋼[2]元素含量如表1。可見連桿的化學(xué)元素含量在F30MnVS鋼的元素含量范圍之內(nèi)。

圖6 裂紋橫向擴(kuò)展后期（位置④）形貌

圖7 裂紋縱向擴(kuò)展中期（位置⑤）位置形貌

圖8 裂紋擴(kuò)展區(qū)后期條帶和二次裂紋

圖9 瞬斷區(qū)韌窩及二次裂紋

1.4 金相檢查

在平行于斷口表面方向、斷口下方約6 mm的連桿部位制取金相試樣，組織形貌如圖10，由鐵素體和珠光體組成，組織分布不均勻，鐵素體局部呈網(wǎng)狀、局部呈條帶狀。

1.5 拉伸性能試驗(yàn)

在連桿上制取試樣進(jìn)行拉伸性能測試。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，可見連桿的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率及收縮率等各項(xiàng)性能均比F30MnVS鋼高。

圖10 網(wǎng)狀及條帶狀組織

表1 連桿化學(xué)成分分析結(jié)果及F30MnVS鋼的元素含量

表2 連桿拉伸試驗(yàn)結(jié)果及F30MnVS鋼的拉伸性能

2 分析與討論

2.1 斷裂性質(zhì)

通過連桿斷裂件的宏觀觀察，以及斷口宏、微觀觀察，連桿斷口宏觀較平整、未見明顯塑性變形，裂紋擴(kuò)展中后期疲勞弧線明顯，微觀可見疲勞條帶，確定連桿斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

2.2 斷裂原因分析

斷口與連桿軸頸傾斜相交，斷裂由一側(cè)厚度邊端角起始，向同側(cè)端角及另一側(cè)厚度邊傾斜擴(kuò)展，表明連桿斷裂過程中受到彎曲應(yīng)力作用，導(dǎo)致了連桿疲勞斷裂。因?yàn)榱鸭y源磨損較重，無法判斷起源位置的原始狀況，但由從源區(qū)出發(fā)的放射棱線情況，可判斷連桿裂紋源應(yīng)該為點(diǎn)源，表明連桿斷裂的起始應(yīng)力較小。裂紋擴(kuò)展區(qū)占斷口面積的90%以上，疲勞條帶細(xì)密，表明連桿裂紋起始后、斷裂過程中的受力相對(duì)較小。裂紋縱向擴(kuò)展區(qū)中間區(qū)域較粗糙、呈條塊狀特征，可能是由組織中存在條帶狀組織所致，該區(qū)域?qū)?yīng)材料的疲勞性能相對(duì)較差。

以上分析表明，連桿工作過程中受到的彎曲應(yīng)力，是其發(fā)生疲勞斷裂的主要原因；金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，連桿組織由鐵素體和珠光體組成，組織分布不均勻，條帶狀組織特征較明顯，促進(jìn)了疲勞斷裂；拉伸性能測試結(jié)果表明，連桿的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率及收縮率等各項(xiàng)性能均比F30MnVS鋼高。因此，連桿材質(zhì)不是其疲勞斷裂的主要原因。

綜上所述，連桿的斷裂過程為：工作過程中，受到一定彎曲應(yīng)力作用，導(dǎo)致一個(gè)端角部位萌生疲勞裂紋；裂紋在循環(huán)載荷作用下擴(kuò)展，最終引起連桿疲勞斷裂；連桿組織分布不均勻，促進(jìn)了疲勞斷裂。

[1]張棟，鐘培道，陶春虎，等. 失效分析[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2004.

[2]GB/T 15712－2008，非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼[S].

Failure Analysis on Fracture of Connecting Rod

QIU Yuanli，TIAN Guohui，DU Faming，WEI Wei，LUO Xiong

( Chengdu Special Equipment Inspection Institute, Chengdu 610036 , China )

The connecting rod was analyzed by means of macroscopic and microscopic fracture observation、component analysis、metallographic examination and tensile properties analysis. The result shows that the nature of fracture is fatigue. The connecting rod was subjected to the bending stress in the course of working, and the fatigue crack was produced at the end corner, and the crack expands until the connecting rod breaks under the cyclic load.

failure analysis；fatigue fracture；tensile property；microanalysis

U464.133+.2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.05.007

1006－0316 (2018) 05－0026－03

2017－10－24

邱元蒞（1985－），男，四川成都人，本科，工程師，主要從事特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測、材料性能測試等工作。