稀土球墨鑄鐵曲軸斷裂的分析

1、稀土球墨鑄鐵曲軸斷裂的分析張琴(鞍鋼附企給排水凈水劑廠 鞍山114011)摘 要：運用線彈性斷裂力學理論研究柴油機稀土球墨鑄鐵曲軸斷裂強度和壽命問題。曲軸斷裂的主要原因在于曲柄臂與連桿軸頸過渡圓角處存在缺陷，這個位置的缺陷在疲勞擴展達到臨界狀態(tài)時便導致曲軸失穩(wěn)斷裂。根據(jù)斷裂力學理論和實驗分析，提出了降低斷裂率的一些途徑。關 鍵 詞：稀土球墨鑄鐵；曲軸斷裂；裂紋擴展速率；臨界裂紋尺寸；表面裂紋1 概述曲軸是內燃機的關鍵部件，目前許多工廠采用球墨鑄鐵生產柴油機曲軸。球墨鑄鐵具有強度高、耐磨、抗震性好、成本低等優(yōu)點，用以代替合金結構鋼有著重大意義。然而，球墨鑄鐵相對合金結構鋼而言，韌度差，易于發(fā)生脆

2、斷，以球墨鑄鐵曲軸為例，有些工廠生產的曲軸斷裂率達到1以上，遠遠超出斷裂率01的指標。曲軸斷裂的重要原因在于曲柄臂與連桿軸頸過渡圓角處存在缺陷。這個位置的缺陷(裂紋或夾雜等)在疲勞擴展達到臨界狀態(tài)時便導致曲軸失穩(wěn)斷裂。現(xiàn)以290柴油機的稀土球墨鑄鐵曲軸為例分析曲軸斷裂問題。我國現(xiàn)在生產的290型柴油機曲軸，不少工廠是用含磷高的地方鑄鐵，經(jīng)球化處理而直接制造的，它的化學性能見表1，常規(guī)機械性能見表2。與過去常用于鍛造曲軸的40Cr合金結構鋼相比，稀土球墨鑄鐵的韌度顯然要低得多，曲軸的斷裂部位絕大多數(shù)都在靠動力輸出端的曲柄臂與連桿軸頸過度圓角處(見圖1)，屬于彎曲疲勞斷裂，呈現(xiàn)脆性斷裂特征。2 工

3、作應力的實驗測定21 光測彈性應力分析1試驗采用三維光彈模型，模型材料用環(huán)氧樹脂制造，模型尺寸為原結構的12。采用集中加載，使曲軸得到三角形彎距。模型材料條紋值(按照徑向受壓圓盤試樣測量出值)，實物應力與模型應力之間的關系為式(2)。根據(jù)測得的應力條紋圖，計算沿曲軸實際破壞斷面(即與軸線成45°面)的各點的應力式(3)為剪應力，式(4)為正應力，式(5)為主應力。應力分布見圖2，計算結果見表3。結果表明，最大拉應力位于曲柄臂與連桿軸頸的內過渡圓角邊上，max=213MPa。光彈實測結果充分說明，曲軸斷裂源是過渡圓角處的缺陷或裂紋，在交變的主應力作用下，發(fā)生疲勞擴展，最后裂紋深度達到某

4、種臨界狀態(tài)而導致脆斷。22 電測殘余應力(電阻應變儀)290型柴油機曲軸是整體鑄造后經(jīng)過正火回火處理以及機械加工而成。因而，不可避免存在殘余應力。在對裂紋進行斷裂力學分析時，必需涉及殘余應力的影響?，F(xiàn)在實際曲軸上采用應力松弛法進行測定。首先在曲軸的，等四個過渡圓角部位貼上2×3mm的電阻應變片，然后用機械加工方法釋放貼應變片處的應力，用靜態(tài)應變儀測量應變，然后計算出殘余應力。實測結果(見表4)表明，實際殘余應力都大于規(guī)范要求的0102的標準。3 抗斷性能參數(shù)的測定按照有關試驗方法測得：(1)對于經(jīng)正火回火工藝處理的稀土球墨鑄鐵，從偏安全考慮，取IC=845kgmm。(2)對于經(jīng)表面軟

5、氮化處理的試樣，測得IC=117kgmm3/2。(3)對于經(jīng)等溫淬火處理的試樣測得：高硅中錳情況s=1250MPa，IC=162kgmm；低硅中錳情況s=1180MPa，IC=136kgmm。試驗結果表明，經(jīng)表面軟氮化處理后，平面應變斷裂韌度IC值，比現(xiàn)行的經(jīng)正火回火工藝處理的曲軸的IC值提高385；經(jīng)等濕淬火處理后，IC值提高55590，同時材料的屈服強度也大大提高。4 臨界裂紋尺寸由于稀土球墨鑄鐵的平面應變斷裂韌度IC較低，曲軸斷裂實際上屬于彎曲引起的脆斷，因而用線彈性斷裂力學數(shù)據(jù)來計算曲軸失穩(wěn)斷裂時的臨界斷裂尺寸，是完全合理的。實際斷裂多是由于表面裂紋達到臨界失穩(wěn)狀態(tài)(即裂紋深度達到臨界

6、尺寸ac)而產生，所以可建立圖3所示的斷裂力學模型。一般情況下，表面裂紋產生于第曲軸(動力輸出端)與連桿軸經(jīng)交界的過渡圓角內側；設表面裂紋為半橢圓片狀，長度為2c，深度為a；裂紋面與曲軸面和連桿軸徑表面母線都成45°，表面裂紋與前自由界面成90°折角；裂紋面所受張力為，包括工作應力與殘余應力，它們都垂直于裂紋面，按偏安全考慮張力，視為均勻分布；工作應力取光彈實測的圓角處最大主應力213MPa，殘余應力按標準取材料屈服極限s的10；曲軸的加油孔對過渡圓角處裂紋尖端應力強度因子的影響作為后自由邊界的影響，取b=10mm。根據(jù)斷裂力學模型，裂紋尖端應力強度因子I值表達式為2：式(

7、7)用曲線表示如圖4所示。設ac為臨界裂紋尺寸，將上述I式代入線彈性斷裂力學應力強度因子I斷裂判據(jù)I=c中并加整理，得從上式可解得臨界裂紋尺寸ac。計算結果：(1)對現(xiàn)行經(jīng)正火回火工藝處理的曲軸，按圖3斷裂力學模型，取IC=845kgmm3/2，=213+567=270MPa，b=10mm，F(xiàn)(s)=091代入上式，求得過渡圓角處表面裂紋的臨界裂紋尺寸(裂紋深度和裂紋長度即a×2c)：33×，4×32，45×18，52×14，59×118(mm)。(2)對經(jīng)軟氮化處理的曲軸，取IC=117kgmm3/2，=213+567=270MPa

8、，可得臨界裂紋尺寸：52×，56×448，62×248，68×18，74×148(mm)。(3)對經(jīng)等濕淬火處理的曲軸取IC=16kgmm3/2(高硅中錳)，可得臨界裂紋尺寸：57×，6×4867×27，72×19，77×154(mm)。將以上計算示于圖5：由圖5可見：裂紋深度a是引起失穩(wěn)斷裂的主要尺寸。當2c增大，即a/c減小時，ac稍有減少；當a/c一0時，可得到偏于安全的裂紋深度尺寸。隨著材料平面應變斷裂韌度IC的增加，斷裂時的臨界裂紋深度也增加。經(jīng)等溫淬火或表面軟氮化后，球墨鑄鐵斷裂韌度

9、明顯增加，使曲軸斷裂時的臨界尺寸明顯增加。5 降低曲軸斷裂率的途徑(1)避免曲軸疲勞斷裂的關鍵在于控制曲柄臂與連桿軸經(jīng)過渡圓角處的表面質量。表面初始缺陷尺寸(深度)控制在0304mm以下，可使曲軸壽命在數(shù)千小時以上。因此，過渡圓角的表面應保證精細加工，不要有大于03mm深度的任何劃痕。同時，曲軸在使用過程中也要保持過渡圓角處表面避免劃傷，否則將大大降低壽命。(2)同樣理由，在過渡圓角處表面不應有大于03mm數(shù)量級的類裂紋或其他缺陷(深度)。采用適當工藝手段控制這個部位的夾雜物尺寸，將有利于降低曲軸的斷裂率。(3)對稀土球墨鑄鐵曲軸進行等溫淬火或表面軟氮化處理，能提高材料的平面應變斷裂韌度IC值，從而提高材料抵抗失穩(wěn)斷裂的能力。總而言之，斷裂力學分析表明，雖然球墨鑄鐵比合金結構鋼對裂紋的敏感性要大，脆斷的傾向要大，但只要按照對曲軸的斷裂力學分析結果控制曲軸某些位置的缺陷或裂紋的初始尺寸，曲裂仍然可以達到很長的工作壽命，斷裂率可以大大降低。6 結束語曲軸斷裂的重要原因在于曲軸的過渡圓角太小，曲柄臂太薄，過渡圓角加工不完善，導致連桿軸經(jīng)與曲柄臂過渡圓角處應力集中嚴重，因而逐漸發(fā)展成橫斷面曲柄臂的疲勞裂紋，在疲勞擴展到臨界狀態(tài)時便導致曲軸失穩(wěn)斷裂。因此