鋁合金活塞低周材料性能表征及壽命預測

王文杰，許春光，王國瑩，王根全，賈曉亮，趙志強，任路

(1.海裝西安局，內蒙古 包頭 014000；2.中國北方發動機研究所(天津),天津 300400； 3.陸軍裝備部駐北京地區軍事代表局駐臨汾地區軍事代表室，山西 侯馬 043011)

活塞作為柴油機核心關鍵零部件之一，在工作過程中作高速往復運動，同時其頂面還承受高溫高壓作用。鋁合金材料具有比強度高、密度低、鑄造性能好等優點，在活塞中得到了廣泛的應用。隨著柴油機強化程度的不斷提高，缸內燃燒壓力和燃氣溫度大幅提高，這使得活塞承受的熱負荷和機械負荷也愈加嚴重，活塞頂面及銷孔部位開裂已成為鋁合金活塞的主要失效模式以及柴油機性能進一步強化的制約瓶頸。當柴油機啟停狀態或運行工況發生較大變化時，缸內溫度產生大幅波動，致使活塞產生較大的低頻變化的熱應力，往往會導致活塞溫度變化較大的頂面特別是喉口部位產生塑性變形，進而產生疲勞裂紋，這種疲勞失效稱為低周疲勞失效[1-2]。在高強化柴油機活塞的設計中，低周疲勞評估必須予以重視。

目前國內很多學者已對活塞低周疲勞壽命預測開展了一定的研究。徐春龍[3]對柴油機鋁合金活塞開展加速熱疲勞試驗研究，考慮蠕變與疲勞相互的作用，預測了活塞的低周熱疲勞壽命。劉世英[4]開展了活塞熱疲勞壽命與熱應力關系的研究，進行了活塞低周疲勞壽命預測，同時結合熱疲勞試驗臺架對預測結果進行了驗證。胡定云等[5]基于Masson-coffin方程開展了活塞激光熱負荷試驗臺熱邊界條件下活塞的低周疲勞壽命預測。張慶[6]針對鋁合金活塞的蠕變-疲勞耦合特性問題，從試驗、理論、數值仿真等方向開展了深入的研究，基于損傷力學的分析方法，建立了鋁合金材料蠕變-疲勞損傷非線耦合壽命預測模型，開展了活塞低周壽命預測分析。目前，活塞低周疲勞壽命的預測主要以活塞的線性載荷特性仿真為基礎，采用可考慮不同損傷模式的壽命預測方程來進行活塞的壽命預測。

本研究以柴油機鋁合金活塞為研究對象，利用試驗與仿真分析的手段，開展了活塞鋁合金材料低周塑性性能與疲勞性能表征研究，結合活塞低周非線性承載特性的研究及能量法理論，開展了活塞關鍵特征點的低周疲勞壽命預測，為活塞的材料及結構設計提供支撐。

1 研究思路

主要開展三方面研究：1)根據活塞鋁合金材料低周疲勞試驗數據，開展鋁合金材料的塑性性能表征研究，掌握材料應力與塑性應變關系，為活塞低周承載特性分析奠定基礎；2)根據活塞鋁合金材料低周疲勞試驗數據，開展鋁合金材料低周疲勞性能表征研究，建立鋁合金材料應變能密度與壽命的關系，為活塞低周疲勞壽命預測奠定基礎；3)開展活塞低周承載特性及疲勞壽命預測研究，提取活塞特征點低周工況下應力應變曲線，獲得特征點的塑性應變能，開展活塞低周疲勞壽命預測。

2 活塞鋁合金材料塑性性能表征研究

低周疲勞壽命預測的塑性應變能理論認為[7]：循環塑性及其累積是導致疲勞損傷的基本原因，塑性應變能是描述疲勞損傷的一個重要參量。因此，鋁合金材料塑性特性的獲取與處理直接影響評價結果的準確性，對活塞低周疲勞壽命預測的準確性非常重要。

活塞鋁合金材料的低周疲勞試驗在計算機輔助控制的MTS810液壓伺服疲勞試驗機上進行，采用高頻感應線圈對試樣標距部位進行加熱(見圖1)，通過在試樣標距范圍內點焊熱電偶來監控溫度，采用機械應變控制的三角波加載，應變控制通過軸向高溫陶瓷引伸計來實現。

圖1 材料低周疲勞試驗機感應加熱系統

根據活塞測溫及穩態溫度場仿真可知，在標定工況下，活塞喉口部位溫度最高，約為425 ℃，燃燒室底及中間部位溫度約為350 ℃，振蕩油腔及活塞內腔頂面溫度約為280 ℃，這些區域是活塞溫度較高的區域，在柴油機工況發生變化時，這些區域的溫度會產生較大的變化，形成較高的熱應力，易引起鋁合金活塞的低周疲勞失效。因此，在進行活塞鋁合金材料低周疲勞試驗測試時，針對活塞這些特征部位的工作溫度，采用活塞本體鋁合金材料取樣，在不同溫度(280 ℃，350 ℃，425 ℃)、不同應變幅(0.1%，0.15%，0.2%，0.3%，0.4%)下開展材料低周疲勞試驗，最終取材料在不同溫度及應變幅下半壽命周期處滯回環(見圖2)開展材料塑性性能的表征。

從圖2可以看出，隨著溫度的升高，鋁合金材料滯回環變得扁而寬，說明材料應力峰值在不斷降低，在相同的應變幅下材料應力峰值在降低，塑性應變能力在不斷增加。

圖2 活塞鋁合金材料半壽命周期滯回環

循環應力-應變由滯后回線(見圖3)尖端的軌跡定義，具有如下形式[8]：

(1)

式中：ε為總應變；εe為彈性應變；εp為塑性應變；σ為應力；E為彈性模量；K′為循環強度系數；n′為循環應變硬化指數。

圖3 滯后回線

根據Ramberg-Osgood模型[9-10]，應力幅-應變幅曲線可以用循環應力-應變曲線描述，即

(2)

式中：εa為應變幅；εea為彈性應變幅；εpa為塑性應變幅；σa為應力幅。

式(2)可以表示為應變區間和應力區間的形式：

(3)

式中：Δε為應變區間，Δεe為彈性應變區間；Δεp為塑性應變區間；Δσ為應力區間。

式(3)可以簡化為如下的穩定滯后回線方程：

(4)

塑性應變區間及應力區間的關系為

(5)

也即

(6)

對式(6)兩邊取對數，可得

(7)

由式(7)可以看出，循環強度系數lg(K′)和循環應變硬化指數n′為線性曲線的截距和斜率。

塑性應變幅可用如下方程計算：

(8)

利用最小二乘法擬合來確定K′和n′時，一般忽略小于0.000 5 mm/mm的塑性應變幅[11]。

采用式(7)及式(8)對試驗得到的鋁合金材料滯后回線(見圖2)進行最小二乘法擬合，可得到其在各溫度點時的彈性模量E、循環強度系數K′和循環應變硬化指數n′(見表1)。

表1 材料各溫度下塑性性能參數

把表1中的鋁合金材料塑性性能參數輸入到有限元仿真軟件，建立鋁合金材料試驗試棒模型，模擬鋁合金材料低周疲勞試驗加載邊界，并與測試應力應變數據進行對比，以檢驗鋁合金材料試驗數據的表征參數的準確性。鋁合金材料應力應變試驗數據與表征參數仿真值對比如圖4至圖6所示。

圖4 280 ℃仿真與試驗數據對比

圖5 350 ℃仿真與試驗數據對比

由圖4至圖6可以看出，表征參數仿真曲線與測試數據吻合較好，鋁合金材料的塑性性能表征參數較為準確。

3 活塞鋁合金材料低周疲勞性能表征研究

對于低周疲勞壽命預測的能量法則，國內外已有相當的研究，并提出了相應的模型。目前，低周疲勞壽命預測的能量模型主要有3類：塑性應變理論、總應變能量理論和耗散能理論。

本研究采用塑性應變能理論進行活塞鋁合金材料的低周疲勞性能表征，塑性應變能密度與疲勞壽命之間滿足如下關系式[7]：

WP=CNfa。

(9)

式中：WP為塑性應變能密度；Nf為疲勞壽命；a與C為材料常數。

基于塑性應變能理論進行低周疲勞壽命預測時，需首先根據材料疲勞性能數據來確定常數a與C，然后再根據活塞的塑性應變與應力曲線求解塑性應變能，進而根據式(9)開展低周疲勞壽命預測。活塞鋁合金材料在不同溫度及應變幅下的低周疲勞壽命見圖7。

圖7 活塞鋁合金材料低周疲勞壽命與應變幅關系

針對材料低周疲勞試驗性能數據，在雙對數坐標系下繪制鋁合金材料的塑性應變能與壽命關系曲線，如圖8所示。可以看出，在雙對數坐標系下，同一溫度下材料的塑性應變能與低周疲勞壽命呈現出良好的線性關系。

圖8 雙對數坐標系下鋁合金材料塑性應變能與 低周疲勞壽命的關系

通過最小二乘法擬合，可得到在不同溫度下鋁合金材料的材料常數，如表2所示。

表2 不同溫度下鋁合金材料常數表征

4 活塞低周疲勞壽命預測

在柴油機臺架考核試驗中，通過怠速工況與標定工況的交替變化，完成一個低周疲勞考核循環，來對活塞進行低周疲勞考核[12-13](見圖9)。每個低周循環的周期由考核規范所確定，本研究在分析時定義一個低周循環的周期為6 min，標定工況和怠速工況各3 min。

以柴油機結構、性能及試驗參數為依據，采用GT-power軟件開展性能模擬，得到了柴油機在標定及怠速工況下燃燒室每循環載荷特性(見圖10)。

圖9 柴油機低周疲勞考核工況

圖10 柴油機一個循環內燃燒室載荷特性

活塞低周承載特性仿真計算模型包括鋁合金活塞本體及鑄鐵鑲圈，計算網格模型如圖11所示。

圖11 活塞有限元網格模型

考慮活塞鋁合金材料的塑性性能(見表1)，基于柴油機低周疲勞考核工況(見圖9)及燃燒室載荷特性(見圖10)，開展柴油機低周疲勞考核工況下活塞的溫度場及應力應變仿真。為了使溫度及應力應變達到穩定，共進行了5個周期的計算。活塞燃燒室喉口部位溫度變化如圖12所示，燃燒室喉口部位應力及塑性應變關系如圖13所示，活塞等效塑性應變如圖14所示。活塞溫度及應力應變關系變化趨勢均與文獻[14]相一致。

由圖13可以看出，活塞滯后回線在不斷變化，但隨著周期的增加，逐漸趨于穩定，第4、第5滯后回線幾乎重合，因此本研究取第5個周期的滯后回線進行活塞低周疲勞的評估。

圖12 變工況下活塞燃燒室喉口部位溫度變化

圖13 燃燒室喉口部位應力及塑性應變關系

圖14 活塞等效塑性應變分布

活塞頂部及振蕩油腔的高溫部位是低周疲勞考核的重點。根據活塞溫度及應力應變載荷特性選取特征點，進行活塞低周疲勞壽命預測，活塞低周疲勞特征點選取如圖15所示。

圖15 活塞低周疲勞考核特征點

選取活塞應力應變曲線中最后一個周期計算特征點處的塑性應變能，其中特征點1的應力與塑性應變關系如圖16所示，每個特征點的塑性應變與應力形成一個近似封閉的環。該環所圍成的面積即為塑性應變能，其物理意義表示損傷過程中塑性功的累積。通過編制程序計算各特征點處的塑性應變與應力關系曲線所圍成的面積，可得到各特征點處的塑性應變能密度，通過式(9)及表2可得到各特征點的低周疲勞壽命。活塞各特征點的溫度、塑性應變能及壽命如表3所示。

圖16 特征點1塑性應變與應力關系

表3 活塞特征點低周疲勞壽命

由表3可知，鋁合金活塞特征點1及特征點3低周疲勞壽命最小，兩特征點均位于活塞燃燒室喉口部位，為活塞的低周疲勞危險點。此部位應為活塞結構設計時重點考慮及優化部位，此部位的溫度及應力應變性能也是活塞鋁合金材料的重要考核指標。

5 結束語

開展了活塞鋁合金材料的低周疲勞性能試驗，采用Ramberg-Osgood模型對材料半壽命周期時的循環滯回環進行了表征，得到的鋁合金材料塑性性能經仿真驗證與試驗值吻合良好，可以用來進行活塞低周承載特性仿真分析。采用塑性應變能理論，對活塞鋁合金材料的低周疲勞特性進行了表征，在雙對數坐標系下，同一溫度下鋁合金材料塑性應變能與低周疲勞壽命呈現出良好的線性關系。根據柴油機低周疲勞考核工況，開展了活塞的低周非線性承載特性仿真計算，根據活塞在各特征點的應力應變關系曲線開展了疲勞壽命預測，結果表明溫度最高的燃燒室喉口部位低周疲勞壽命最小，為活塞的低周疲勞危險部位,應予以重點關注。