（机械工程专业论文）连杆断裂分形工艺及其设计研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 传统连杆与连杆盖的装配定位是很复杂的，简化连杆定位面的加工是内燃机零部件 研究的重要课题。断裂分形工艺是提高连杆装配质量和简化定位面加工的有效手段。 论文通过工艺对比分析，指出了传统连杆的不足及断裂分形连杆的优势，提出了车 用发动机采用断裂分形连杆的必要性。从断裂原理出发，论证了连杆采用断裂分形的 可行性。结合断口分析，明确了断裂分形连杆的断口特性。分析了连杆的工作条件， 提出了连杆断裂分形的技术要求。对断裂分形连杆的材料研究，论述了材料对断裂分 形的影响，明确了断裂分形连杆的材料要求；对锻造工艺研究，分析了锻造工艺对连 杆断裂分形缺陷率的影响，确定了特定材料下的断裂分形连杆最佳锻造工艺参数。论 文比较了应力槽预制的两种方法，确定了激光加工和机加工v 型应力槽的参数，并分 析了断裂分形速度对断后变形的影响。 在断裂分形连杆的设计方面，明确了连杆小头、连杆杆身、连杆大头的结构参数， 对连杆螺栓也进行了必要的设计分析，总结了连杆总成的设计要求及注意事项。 在完成了连杆c a d 之后，对连杆进行了有限元强度计算及疲劳强度试验，对某发动 机断裂分形连杆及传统连杆进行了对比分析，进一步确认了适于大规模生产的断裂分 形连杆的设计及工艺技术要求。 论文研究所获得的设计及工艺成果简化了连杆与连杆盖的装配定位问题，提高了连 杆质量，降低了生产成本，现已直接应用于生产，为企业取得了相应的经济效益研 究对相关零件的开发与应用也有一定的借鉴意义。 关键词：发动机连杆断裂分形工艺研究设计分析 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t r a d i t i o n a l l y ，t h ea s s e m b l i n ga n dp o s i t i o nf i x i n go fc o n n e c t i n gr o dw i t hr o dc a pi sm u c h c o m p l i c a t e da n dt i m e c o n s u m i n g t os i m p l i f yt h em a c h i n i n gp r o c e s so ft h el o c a t i n gs u r f a c e s o ft h ec o n n e c t i n gr o di st h e r e f o r eb e c o m i n ga ni m p o r t a n tt a s ki nt h em a n u f a c t o r yt e c h n o l o g y s t u d yf o ri c e n g i n ep a r t s t h en e wd e v e l o p e ds o c a l l e df r a c t u r es p l i t t i n gt e c h n o l o g yi sa n e f f e c t i v em e a s u r et os i m p l i f yt h el o c a t i n gs u r f a c em a c h i n i n ga n dt oe n h a n c et h ea s s e m b l i n g q u a l i t yo ft h ee n g i n ec o n n e c t i n g r o d i nt h i st h e s i s ，t h es h o r t c o m i n go ft r a d i t i o n a lc o n r o dt e c h n o l o g ya n dt h ea d v a n t a g e so f f r a c t u r es p l i t t i n gc o n - r o dt e c h n o l o g ya r ei n d i c a t e d ，a n dt h en e c e s s i t yo fa p p l i c a t i o no f f r a c t u r es p l i t t i n gc o n r o di na u t o m o t i v ee n g i n e si st h e np r o p o s e d f r o mf r a c t u r et h e o r y , t h e f e a s i b i l i t yo fa d o p t i n gf r a c t u r es p l i t t i n gt e c h n o l o g yi nc o n - r o dp r o d u c t i o ni sd e d u c e d b y m e a n so ff r a c t u r es u r f a c ea n a l y s e s ，t h ef r a c t u r es u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef r a c t u r e s p l i t t i n gc o n r o da r ec l a r i f i e d t h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sf o rf r a c t u r es p l i t t i n gc o n 。r o da r e r a i s e da f t e rt h ew o r k i n gc o n d i t i o n so fe n g i n ec o n r o da r ea n a l y z e d o nt h es t u d yo fm a t e r i a l s u i t a b l ef o rf r a c t u r es p l i t t i n gc o n - r o d ，t h et h e s i sd i s c u s s e st h ee f f e c to fm a t e r i a lo nt h e f r a c t u r es p l i t t i n gp r o c e s sa n dr e s u l t a n tf e a t u r e s ，w h i c hr e s u l t si nf o r m u l a t i o no fm a t e r i a l r e q u i r e m e n t sf o rf r a c t u r es p l i t t i n gc o n r o d ；o nt h es t u d yo ff o r m i n gt e c h n o l o g y , t h et h e s i s d i s c u s s e st h ee f f e c to ff o r m i n gp a r a m e t e r so nt h ed e f e c tr a t i oo ft h ef i r a c t u r es p l i t t i n gc o n r o d p r o d u c t ，w h i c hr e s u l t si ns e l e c t i o no fo p t i m u mf o r m i n gp a r a m e t e r sf o rt h em a t e r i a ld e d i c a t e d t of r a c t u r es p l i t t i n gc o n - r o d t w om e t h o d sf o rs t r e s sn o t c hp r e p a r a t i o na r ec o m p a r e d ，a n dt h e r e l e v a n tm a c h i n i n gp a r a m e t e r sf o rl a s e rc u t t i n go rv - n o t c hb r o a c h i n ga r ed e t e r m i n e d a l s o t h ei n f l u e n c eo fs p l i t t i n gs p e e du p o nt h ed e f o r m a t i o np a t t e r ni sa n a l y z e d i nv i e wo ft h ef r a c t u r es p l i t t i n gc o n - r o dd e s i g n ，t h em a i ns t r u c t u r a lp a r a m e t e r si n c l u d i n g s m a l le n d ，s h a n ka n db i ge n da r cc l a r i f i e di nt h et h e s i s i na d d i t i o n ，t h en e c e s s a r ya n a l y s i sf o r c o n - r o db o l td e s i g no ff r a c t u r e s p l i t t i n gc e l l r o d ，a n dt h ei l l u s t r a t i o n o ft h ed e s i g n r e q u i r e m e n t sa n ds o m en o t i c e sf o rc o n r o da s s e m b l yd e s i g na r ea l s og i v e n a f t e rc o n r o dc a df i n i s h e d ，t h es t r e n g t h a n a l y s i si sc a r r i e do u tb yf i n i t ee l e m e n t s o f t w a r ea n dd y n a m i cf a t i g u et e s to fc o n - r o di sc o n d u c t e d a tl a s t ，b yc o m p a r a t i v ea n a l y s i s o ft r a d i t i o n a lc o n r o da n df r a c t u r es p l i t t i n go n eo fds e r i e se n g i n e ，t h ed e s i g nm e t h o da n d 华中科技大学硕士学位论文 p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t sf o rm a s s - p r o d u c t i o no ff r a c t u r es p l i t t i n gc o n r o da r c f u r t h e rc o n f i r m e d w i t ht h ea c h i e v e m e n t so fs t u d yo nf r a c t u r es p l i t t i n gc o n - r o dt e c h n o l o g ya n dd e s i g n o b t a i n e di nt h i st h e s i s ，t h ea s s e m m i n ga n dp o s f l i o nf i x i n go fc o n n e c t i n gr o dw i t hr o dc a pa l e s i m p l i f i e d ，t h ec o n - r o dq u a l i t yi n c r e a s e d ，a n dt h ep r o d u c tc o s td e c r e a s e d t h i st e c h n o l o g yi s n o wu s e di nt h ep r o d u c t i o n ，a n de c o n o m i cb e n e f i ti so b t a i n e d t h es t u d yc a nb eu s e df o r r e f e r e n c ei nt h ed e v e l o p m e n ta na p p l i c a t i o no fs i m i l a rp a r t s k e y w o r d s ：c o n n e c t i n gr o d o fe n g i n ef r a c t u r es p l i t t i n g t e c h n o l o g ys t u d y d e s i g na n a l y s i s 1 1 i 独创性声明 本人声明所里交盹学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做山贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标l 刃。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：会闺弓毛 日期：2 0 0 5 年。月弓f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的圭! i j 定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分9 , 1 容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩l = | j 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：佘闺3 毒指导教师签名：么i 砭l 够 日期：2 0 0 5 年i v 月； 日日期：2 0 0 5 年，口月 ，日 华中科技大学硕士学位论文 = ；= = = = = = = e = ；= = = = = = = = = 一 1绪论 1 1 课题的提出 连杆是发动机最重要的零部件之一，其作用是将活塞的往复运动转换为曲轴的旋转 运动，并将作用于活塞上的气压力转化为曲轴旋转力( 力矩) 1 1 】【2 l 。发动机的可靠性在 很大程度上取决于连杆的可靠性，在影响连杆总成可靠性的因素中，连杆与连杆盖的 定位关系是关键因素。解决好连杆与连杆盖的定位问题，对降低连杆生产成本，提高 发动机可靠性至关重要。 目前，东风公司所有发动机连杆都为传统连杆。在材料方面，有调质钢、非调质钢、 球墨铸铁等；在成型上，大多数为整体锻造连杆，只有e q 4 9 1 发动机连杆采用球墨铸 铁，连杆体与连杆盖分开铸造；在连杆体与连杆盖的定位方式上，汽油机用连杆螺栓 定位，康明斯发动机采用止推面与螺栓组合定位方式，d 系列发动机采用的是凹凸槽与 螺栓组合定位方式。上述定位方式不仅定位精度不够，还对连杆螺栓的可靠性有很大 影响。尤其是d 系列发动机连杆定位方式常因连秆大头孔的变形导致凹凸槽及螺栓断 裂失效。下图为d 系列发动机连杆常见失效形式： 图卜1d 系列发动机的失效连杆( 凹槽断裂) 凹凸槽不仅加工困难，减少了连杆与连杆盖的结合面积，而且其本身也是连杆的最 薄弱环节，连杆大头孔的变形很容易导致凹槽内侧的断裂，同时，螺栓因受剪切力也 容易断裂。 1 华中科技大学硕士学位论文 图1 - 2d 系列发动机的失效连杆螺栓 连杆为发动机中的保安件，连杆的失效常会导致整个发动机的报废。因此，改进d 系列发动机连杆与连杆盖的定位是十分迫切而又重要的课题。为了降低成本，消除现 生产连杆安全隐患，2 0 0 4 年，东风公司决定开发d 系列发动机断裂分形连杆，进行d 系列发动机连杆断裂分形工艺及其设计研究。 连杆的断裂分形是一种新型的高效、低成本生产工艺，研究和应用这一技术对提升 连杆的制造水平，降低成本，提高发动机整机可靠性具有重要意义。尤其是在原材料 不断涨价的今天，断裂分形连杆在国内的推广应用具有十分显著的经济效益和社会效 益。 1 2 国内外发动机连杆研究现状 国内发动机常采用传统连杆。传统连杆是指采用传统材料，通过常规生产方法生 产的连杆。在解决连杆与连杆盖的定位问题上，传统连杆的生产一般是将整体锻造( 铸 造) 的连杆毛坯切断、铣开，或者将连杆体和连杆盖分别锻造( 铸造) ，再对连杆体和 连杆盖的结合面进行拉削、磨削加工。当用螺栓孔定位时，常采用多道工序，用精加 工设备分别加工连杆体及连杆盖上的螺栓孔，与其配合使用的螺栓要求很高( 需精磨 或滚花结合面) 。如果用连杆和连杆盖的结合面定位，则需要在连杆及连杆盖上加工定 位凸台和定位槽，有的连杆采用止推面定位，有的采用定位环定位，这些结合面的定 位方式非常复杂，加工精度与装配质量难以控制，生产效率低，制造成本高，废品率 高，装拆也不方便。下图是传统连杆常用的连杆与连杆盖定位方式： 2 华中科技大学硕士学位论文 图1 7 3 ：传统连杆结合面装配 图卜4 ：传统连杆结合面拆分 从图中可以看出，为了保证连杆与连杆盖的径向定位，一般要在连杆和连杆盖上 加工凹凸槽。凹凸槽之间为空间配合，尺寸公差要求非常严格，不仅加工要求高，装 拆也很困难。同时，因凹凸槽存在加工及装配误差，使连杆与连杆盖结合面减小，工 作中结合面应变增加，必然导致连杆大头孔失圆，影响油膜及连杆瓦的可靠性。尽管 如此，凹凸槽也仅能解决连杆与连杆盖的径向定位问题，轴向定位还需要连杆螺栓来 完成。图卜5 、图卜6 为传统连杆常用带定位面的连杆螺栓及带滚花段的螺栓： 华中科技大学硕士学位论文 图卜5 传统连杆带定位凸台螺栓 图卜6 传统连秆带滚花螺栓 从图卜5 中可以看出，两种螺栓都带有圆柱定位面，这种定位面加工要求高，很 容易产生废品。图卜6 所示的连杆螺栓圆柱定位面带滚花结构，加工更困难，成本更 高。同时，用螺栓定位，会使连杆螺栓因连杆工作过程中的变形而承受剪切作用力， 影响连杆螺栓的可靠性。 国内对连杆的研究主要集中在连杆材料、热处理工艺、结构优化等方面。连杆材 料最早使用的是调质中碳钢，1 9 7 2 年德国第一个使用非调质钢的连杆问世之后 3 1 ，非 调质钢的研究与应用逐渐展开。日本约从8 0 年开始使用非调质钢，到现在9 0 以上的 曲轴、连杆采用非调质钢【4 l 【5 j 。我国从8 0 年代初开始使用非调质钢 6 1 ，李智、乔兵等 对微合金非调质钢及其控轧控冷工艺进行了研究【7 】，刘云旭等结合国外研究指出了非调 质钢在工业应用中问题 8 - 1 1 】。目前，在国内连杆制造业中，使用调质钢与非调质钢已不 存在工艺问题，关键在于原材料成本差异。在解决连杆与连杆盖的装配定位问题上， 国内也进行了大量研究与尝试，但没有实质性突破。 为解决连杆与连杆盖结合面的定位与装配问题，国外许多大公司、科研机构进行 了不懈的努力，取得了一些成果【跏1 5 】，其中，连杆的断裂分形就是其一。众所周知， 4 华中科技大学硕士学位论文 连杆大头必须分成两半才能与曲轴连杆轴颈装配，传统连杆实际上是由连杆体和连杆 盖两个零件组成，两个零件加工后，结合面不管采用什么方式都不可能完全复合。美 国和德国的工程师们从材料断裂力学原理中得到启发，于8 0 年代末分别发明了连杆断 裂分形加工技术，并很快应用于轿车粉末烧结材料连杆上【矧。断裂分形连杆是指采用 特定材料，应用断裂分形工艺生产的连杆。断裂分形工艺是一种比较先进的连杆制造 工艺，其机理是利用材料的断裂特性，先将连杆毛坯和连杆盖毛坯锻( 铸) 为一体， 经过两侧面及大、小头孔粗加工，钻攻螺栓孔，在大头孔加工初始断裂切口；然后在 专用设备上断裂分形，实现无屑断裂剖分；再将断裂分离后的连杆盖与杆身复位：利 用断裂面犬牙交错的特征，在断裂面完全啮合的条件下，进行后续的连杆大、小头内 孔的精加工、珩磨。其特点是连杆加工工序少，复合定位精度高，工作过程中变形小， 连杆可靠性高 1 6 1 。德国a l f i n g 公司的研究表明，与传统连杆相比，采用断裂分形加工 技术可减少机加工工序3 0 4 0 、减少工、夹具3 0 ，降低生产成本1 5 2 0 f 1 7 】f 圳，并 大幅度提高连杆承载能力、抗剪能力，以及连杆与连杆盖的定位精度与装配质量。 断裂分形连杆在国外应用比较常见，尤其在小功率、高转速汽油发动机上应用较 普遍。在大功率柴油发动机上，如美国c u m m i n s 系列某些机型应用了断裂分形连杆， 但从大趋势上看，断裂分形连杆在大功率柴油发动机上的应用范围将不断扩大，如 a l b o n 公司的断裂分形连杆应用范围有汽油机、柴油机，排量从i 升到7 8 升，功率从 3 8 k w 到3 0 0 0 k w ，每季度生产5 百万件。在材料方面，据德国k r e b s o e g e 公司的研究， 粉末冶金材料可断性较好，铸铁中最适宜材料是可锻铸铁g t s 6 5 7 0 及球铁，锻钢材料 是c 7 0 等【19 。对于粉末冶金材料和高碳钢国外研究比较深入透彻。e d m o n dl 认为，对 体积较大的汽车零部件，成本是考虑的主要因素之一，而降低材料成本是有效手段， 这就是为什么近2 0 年来粉末冶金连杆得到快速增长的原因之一，从市场份额上看，粉 末冶金连杆已近6 0 i 驯，d b a n k o v i c 等人的研究表明。粉末冶金连杆提高了尺寸控制 精度，提高了机械性能，同时，重量可减少6 0 【2 l 】，e d m o n dl 等对粉末成分与机械性 能尤其是疲劳强度的关系进行了研究，结果表明，粉末成分中m n s 的加入及c u 含量对 连杆的机械性能和疲劳强度影响明显。j o ec a p u s 等还对粉末冶金材料与高碳非调质钢 c 7 0 进行了较为全面的比较分析，j o ec a p u s 认为，粉末冶金材料连杆在重量和成本上 5 华中科技大学硕士学位论文 更容易得到优化，粉冶连杆的失效在i 字梁截面最小处，而c 7 0 连杆的失效多由氧化组 织及显微裂纹引起，整体上看，c 7 0 连杆的失效比例大于粉冶连杆。从制造成本考虑， 粉冶模具寿命是c 7 0 的2 4 倍，同时，c 7 0 连杆的生产线比较长。从耗材方面看，c 7 0 连杆要处理锻造飞边及加工小头孔，因此，粉末冶金材料连杆比c 7 0 连杆更能减重、减 振、降噪。但f a t e m i 教授有不同看法，他认为，c 7 0 连杆有更大的结构优化系数，通过 有限元优化可省材l0 9 6 ，与粉末冶金材料连杆相比可降成本1 5 1 2 “。不管怎么说，由于 粉末冶金材料在原料成本、成分精确控制等方面比c 7 0 困难，国外趋向看好c 7 0 材料。 在应力槽预制方面，a l b o n 公司常用激光加工i ，用激光加工不仅可保证应力槽质量， 同时因热效应可强化局部组织。a l b o n 公司研究表明，0 i * 0 3 的应力槽可保证连杆精 确分形。g o u d f r o o g ，h e n d r i k 等人还对有关断裂分形连杆的生产线做了介绍畔1 。 连杆断裂分形工艺至今已有2 0 多年的发展历史，但近几年才大量进入车用发动机 连杆大量生产领域。德国a l f i n g 公司早在1 9 8 6 年就开始进行连杆断裂分形试验，同 年，美国通用汽车公司首次获得该工艺专利，之后美国m t s 系统公司，1 9 8 9 年德国 a l f i n g 公司和k r e b s u e g e 公司，1 9 9 0 年美国f o r d 汽车公司和l a m b 公司以及德国e x c e l l 一0 公司，1 9 9 2 年德国g r o b 公司，1 9 9 4 年美国g i d d i n g s l e w i s 公司相继获 得了该工艺方面的专利。断裂分形连杆应用情况如下表： 表卜l 断裂分形连杆应用现状 年代使用厂家车型 1 9 8 9 往 美国通用和德国宝马轿车 1 9 9 2 生 通用英格兰工厂、欧宝匈牙利工厂轿车 1 9 9 4 焦 通用巴西工厂、奔驰曼海姆工厂轿车 1 9 9 5 年 通用墨西哥工厂、欧宝德国工厂轿车 1 9 9 6 韭 德国、英国、韩国大宇印度工厂轿车 1 9 9 7 矩英国、澳大利亚、沃尔沃瑞典工厂轿车 1 9 9 8 正 法国、韩国、通用加拿大工厂、中国上海大众轿车 1 9 9 9 正比利时 轿车 2 0 0 0 拒 日本、墨西哥轿车 2 0 0 1 生 意大利轿车 2 0 0 2 薤 新西兰、马来西亚 轿车 2 0 0 3 芷 西班牙、中国一汽解放轿车、中重型卡车 2 0 0 4 正 东风公司中重型卡车 6 华中科技大学顽士学位论文 2 0 0 1 年a l f i n g 公司对断裂分形连杆在国外的应用情况进行了统计，统计结果见下 图【1 8 】： 图卜7 断裂分形连杆应用统计 图中横坐标为使用厂家，纵坐标为连杆量( 万条) ，2 0 0 1 年a i r i n g 公司断裂分形 连杆总产量为1 6 2 0 0 万条。从世界范围看，断裂分形连杆使用的工厂越来越多，使用 的范围越来越广泛，从最初的轿车用发动机到现在的中重型卡车用柴油发动机。与国 外相比，我国对断裂分形连杆的研究起步较晚，国内最早使用断裂分形连杆是从1 9 9 8 年上海大众产品引进开始的，随后在一汽大众引进的产品中也使用了断裂分形连杆。 吉林大学杨慎华等后来发明了下拉式发动机连杆裂解加工装置，并申请了相关专利。 河北南宫长征曲轴连杆厂的李尧等人也对断裂分形连杆进行了研究。2 0 0 3 年，一汽在 与a v l 合作开发的奥威6 d l 柴油机上采用了断裂分形连杆，并以此为契机准备在以后 开发的发动机上采用断裂分形连杆。东风公司在2 0 0 4 年开始进行断裂分形连杆的开发 研究工作。目前在我国申报的与断裂分形连杆工艺及设备有关的专利有： 7 华中科技大学硕士学位论文 德国凯斯勒特殊机械股份有限公司，专利号z l 9 0 1 0 2 7 3 8 ，断开连杆的方法和设备； 美国三通机械有限公司，专利号9 5 1 9 3 2 3 5 7 ，用来使连杆之类断裂的方法和设备； 加拿大三通机械工具有限公司，专利号9 8 1 0 7 9 3 7 7 ，用于连杆断裂设备的双夹紧 装置： 吉林大学，专利号z l 0 1 2 7 1 9 3 5 8 ，发动机连杆裂解加工装置： 吉林大学，专利号0 2 1 0 9 7 5 6 9 ，发动机连杆机械加工方法及装置； 李尧，专利号z l 0 2 2 0 5 9 9 5 4 ，胀断式内燃机连杆，河北南宫长征曲轴连杆厂。 1 3 本文的主要内容 连杆断裂分形工艺及其设计研究课题的目的是以东风公司d 系列发动机连杆为对 象，通过对连杆断裂分形工艺及其设计研究，开发出d 系列发动机断裂分形连杆，并 确定d 系列发动枫断裂分形连杆技术条件。为东风公司进一步推广使用断裂分形连杆 积累经验。该课题从2 0 0 4 年开始已进行了一年多的时间，作为课题成员，作者以其中 的部分内容作为硕士学位论文的课题工作，本文是作者参加部分工作的总结。 针对d 系列发动机断裂分形连杆的开发，本文主要从以下几个方面进行研究： 1 ) 断裂分形连杆材料研究； 2 ) 断裂分形连杆锻造工艺研究： 3 ) 断裂分形连杆应力槽预制； 4 ) 断裂分形连杆的断裂分形； 5 ) 断裂分形连杆设计研究。 本文所述工作的目标是：通过上述应用研究，掌握断裂分形工艺的特点和规律， 针对d 系列发动机，确定其断裂分形连杆的材料，锻造工艺，应力槽加工工艺，断裂 分形工艺参数，结构参数及设计要求等，并据此制定d 系列发动机断裂分形连杆技术 条件，为连杆的j 埙利投产做好准备。 华中科技大学硕士学位论文 2 断裂分形的原理和基础 2 1 断裂原理 弄清断裂原理是连杆断裂分形工艺研究的前提。对断裂的定义，一般认为物体在力 的作用下分成两个独立的部分，即为断裂，或称之为完全断裂【2 6 1 。如果一个物体在力 的作用下其内部局部区域内材料发生了分离，即其连续性发生了破坏，则称物体中产 生了裂纹。在很多情况下，把物体中尺寸足够大的裂纹也称为断裂( 不完全断裂) 。裂纹 大致分为三类：张开型裂纹、剪切裂纹及复合裂纹吲。张开型裂纹是在与裂纹面正交 力作用下，裂纹面产生张开位移而形成的裂纹：剪切裂纹是裂纹面沿切应力方向滑移 而形成的裂纹；复合型裂纹一般为上述两种裂纹的混合型。断裂总是起源于裂纹【2 8 】【矧， 而裂纹在外界因素作用下，处于静止或平衡或发展都与裂纹处的应力或能量有直接关 系【3 0 l 。从能量关系考虑，在裂纹扩展中当单位面积释放的应变能达到形成其自由表面 所需的表面能时，裂纹就处于失稳状态，当应变能大于形成其自由表面所需的表面能 时，裂纹就会失稳扩展而产生断裂；从应力强度看，当含应力的弹性体在外力作用下， 裂纹尖端强度因子达到裂纹发生失稳扩展时，裂纹就会发生失稳扩展而导致断裂咖。 断裂过程包括裂纹的形成和裂纹的扩展。对于断裂连杆而言，结构组织是不允许有裂 纹存在的，要实现连杆与连杆盖的断裂分形，就必须人为制造裂纹，设计裂纹的扩展 方向，使连杆与连杆盖的断裂分形在指定断裂面上进行。 2 2 断裂分类 断裂有不同的分类方法【2 6 1 ： 按断裂前材料发生塑性变形的程度来考虑，断裂可以分为脆性断裂和延性断裂。若 某种材料或材料的某种状态下，断裂前不发生明显的塑性变形，则这种断裂称为脆性 断裂，如陶瓷、玻璃、特定应力条件下的钢及特殊超高强度钢等；若断裂前发生明显 的塑性变形，则称这类断裂为延性断裂，如一般有色金属、钢等。对金属而言，绝对 的脆性是很少见的。金属在断裂前总会或多或少地发生一定量的塑性变形，一般规定， 若该材料的光滑圆柱拉伸试样的断面收缩率小于5 时为脆性断裂：反之，大于5 则 9 华中科技大学硕士学位论文 为延性断裂。也有的国家使用光滑圆柱拉伸试样的延伸率d = 1 0 作为脆性、延性断裂 的判据。由于断裂前不发生或很少发生塑性变形，脆性断裂在断裂前无明显征兆，表 现为断裂的突发性，这为连杆断裂分形具体实现提供了保证。在工程应用中，连杆的 在线生产要求断裂时间1 0 1 5 s ，而实际上连杆的断裂分形是在瞬间完成的。 按裂纹的扩展途径来分类，金属材料可分为穿晶断裂、沿晶断裂及混合断裂【。 裂纹穿过晶粒内部而延伸的断裂称为穿晶断裂；而裂纹沿晶粒边界扩展的断裂则称为 沿晶断裂。如图：2 - 1 、2 - 2 图2 - 1 穿晶断裂 图2 2 沿晶断裂 一般来说，穿晶断裂可以是延性的，也可以是脆性的，这主要取决于晶体材料本 身的塑性交形能力、外部环境条件及力学约束条件。如面心立方金属c u ，魁，n i 及以 其为基的合金具有较好的塑性；体心立方金属f c ，c f ，w ，m o 等在较高温度时具有 良好的塑性，在这种条件下常表现出延性断裂特征，而在足够低的温度下转变为脆性 材料，发生脆性断裂。沿晶断裂的主要原因是由于杂质元素的晶界偏聚或其他原因弱 化了晶界，而使晶界强度低于晶内强度所引起的，在这种情况下，材料实际的晶内强 度并未充分发挥，所以很多情况下表现为脆性，但这种沿晶断裂并不排除沿晶界部分 相可能发生的塑性变形。 在有些情况下，同一裂纹体中的裂纹既可能发生穿晶，也可能发生沿晶，呈混合 状，这种断裂即称为混合断裂。 按断裂机理来分类。断裂可分为解理断裂与剪切断裂1 2 6 l 。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 断裂面严格地沿晶体中某晶面分离的断裂称为解理断裂，该晶面称为解理面。通 常，解理断裂总是脆性断裂，但有时在断裂前也会表现出一定的塑性，所以解理断裂 与脆性断裂不能完全等同，前者是指断裂的机理而言，后者则是表示断裂的宏观性质。 在切应力的作用下，金属材料沿滑移面滑移而造成的断裂称为剪切断裂。由于材料性 质的不同，剪切断裂有两种类型，一类称为纯剪切断裂或滑断；另一类称为微孔聚集 型断裂。纯剪切断裂一般发生在非常纯的单相金属，特别是塑性较好的纯的单晶体中。 在外力作用下，金属沿最大切应力方向发生滑移，最后因滑移面滑动分离而断裂，所 以这是一种由纯粹的滑移流变所造成的断裂。单向拉伸时，其最大切应力方向与拉伸 轴呈4 5 。角，所以其断口常里锋利的楔形或尖刀型，其断裂特征如图2 - 3 ： 器目 图2 3 纯剪切断裂 微孔聚集型断裂多见于钢铁等工程结构材料。由于该类材料具有较高的流变抗力， 而且在这类材料的组织中存在着大量的第二相或多相夹杂，阻碍着滑移的充分进行， 在外力作用下，位错容易堆积在夹杂物界面引起较大的应力集中，在试件的局部区域 内如缩颈部分，处于三向应力状态，约束了塑性变形的发展，因而可能引起夹杂物的 破碎或夹杂物与基体界面的脱离而形成微小孔洞，这种孑l 洞在切应力作用下不断长大、 聚集连接，并同时不断产生新的微小空洞，最终导致了整个材料的破断。剪切断裂的 断口往往具有位错及楔形滑移，不具备复合特性，因此不能用于连杆的断裂分形。 断裂还可以根据引起构件断裂的原因进行分类，如在变动载荷作用下的疲劳断 裂；由应力和腐蚀介质的共同作用引起的应力腐蚀断裂及过载断裂、氢脆断裂、蠕变 断裂、混合断裂等【堋。其中，疲劳断裂原理可用于塑性较强的中碳钢连杆断裂分形。 华中科技大学硕士学位论文 2 3 裂纹扩展路径 从上面的分析可知，断裂类型有沿晶断裂、穿晶断裂及混合断裂等。各种断裂中 裂纹并不总是沿一个方向扩展，即在不同的情况下，裂纹在扩展过程中会发生拐折、 弯曲，甚至分叉现象，其原因在于控制裂纹扩展方向的原因是多种多样的，有外部因 素的作用，如应力大小、应力状态及构件形态的影响；也有内部因素的作用，如材料 的物理性质、力学性质、材料的组织状态及结构等因素的影响幽j 。 金属中裂纹的扩展主要受两个原则所控制，即应力原则和强度原则1 3 。 应力原则是指裂纹扩展的方向，受构件中最大应力的方向所控制。对于张开型裂 纹，其扩展方向一般都垂直于主拉伸应力的方向；而在剪切断裂的情况下，裂纹一般 都沿最大剪切应力的方向扩展。应力原则对裂纹扩展方向的影响可以是整体的，也可 能是局部的。从整体上来看，裂纹沿最大应力决定的方向扩展，但是由于裂纹的扩展， 使裂纹前沿应力状态及分布发生了变化，裂纹前沿最大应力方向与整体的最大应力方 向可能不一致，裂纹将沿裂纹前沿局部最大应力所决定的方向扩展，在这种条件下裂 纹可改变原扩展方向而发生弯折现象。 强度原则是指裂纹总是按其强度最低的部分扩展，即按扩展阻力最小的路线扩展， 因为按该方向扩展需要较少的能量。这种强度最低的部分常是一些材料缺陷较为集中 的部分。例如，有时某一裂纹按应力原则扩展，途中突然发生转折而向非最大应力的 方向扩展，这种方向即可能是材料中的强度薄弱方向。 如果说外加应力的状态与方向是裂纹扩展的外部控制因素的话，材料本身的强度 及缺陷则是影响裂纹扩展的内部因素。此外，还有一些材料的内部因素如其组织状态、 晶粒边界、因强化金属的性能而引入的第二相质点等对裂纹的扩展也有明显的影响。 从微观上看，裂纹在扩展过程中是沿晶还是穿晶，主要取决于晶界或晶内的强度， 若晶界强度大于晶内强度，则裂纹穿晶扩展，反之则沿晶扩展。 晶界对裂纹的产生及扩展的影响可以从几个方面来考虑。由于晶界两面晶粒取向 不同，晶界是原子排列紊乱的区域，其位错结构比较复杂甚至是一种非晶态的结构。 当运动着的位错由一个晶粒横穿过晶界，或者扩展着的裂纹由一个晶粒进入相邻晶粒 时，穿过复杂位错结构的晶界比较困难，到达相邻晶粒后，由于滑移系或解理面方向 华中科技大学硕士学位论文 的变化，其裂纹扩展方向也要改变，这过程要消耗更多的能量，因而使裂纹的扩展 变得比较困难，对材料起了强化的作用。研究工作已经证明，钢中含有较高的s n 、p 、 a s 、s b 等杂质元素时，这些元素易偏聚于原奥氏体f i 2 1 ，从而降低了晶界能，使断裂易 于沿晶进行，在回火脆性的温度范围内，更容易加速这种杂质元素的晶界偏析，使材 料容易发生沿晶断裂。 细化晶粒是一种抑制沿晶断裂倾向的手段之一，晶粒细化增加单位体积内的晶界 面积，在杂质含量相同的情况下，单位晶界面积偏聚的杂质量会相应降低，从而提高 其韧性。 对于一种材料而言，强度由其基体材料的强度来体现，但若发生沿晶断裂，则表 明材料在未达到其基体材料的强度水平的条件上发生了断裂，所以与材料本身的强度 水平相比，沿晶断裂总是一种较低应力水平的断裂。 多相合金中含有第二相质点，单相合金在冶炼时不可避免地会带入一些非金属夹 杂，这些夹杂也称为第二相。与基体相比，有些第二较硬、较脆，称其为脆性相。钢 中的氧化物硅酸盐、铝酸盐、碳化物、氮化物、金属间化合物等都是脆性相。脆性相 降低了晶间能，使沿晶断裂更易发生。 2 4 断口分析 断口分析是研究新材料的重要手段，因为由断口分析所提供的断裂性质、裂纹走 向与扩展特征、材料的组织及其组成关系的信息，可以为进一步改进材料的质量及材 料的工艺过程提供依据【3 1 】。连杆断裂分形是否成功，如何获得可复合断1 ：3 非常重要。 根据所用的手段不同，有两种断口分析方法，即断口的宏观分析方法和微观分析 方法1 3 1 1 。 2 4 1 宏观断口分析 由于使用应力条件与环境的不同，材料断口的形貌有着显著的差别，但是在复杂多 变的断口形貌之中，也存在着一些共同的特征。通过分析金属在静载荷条件下断口的 宏观特征，可以了解材料断裂时断口的最基本特征。 研究表明，钢的光滑圆柱试样拉伸断口通常可以分为三个区域，即纤维区、放射区 华中科技大学硕士学位论文 及剪切唇，通常称为断口的三要素【2 6 】。如图2 4 ： 纤维 放射区 剪切唇 图2 4 断口三要素 纤维区一般位于断口的中央，受拉伸时应力条件的影响( 如应力轴线的偏斜) 或 材料中局部缺陷的影响，纤维区也可能偏离中心位置。纤维区宏观平面与拉伸力轴垂 直，断面呈粗糙的纤维状，纤维区的大小与材料的性质有关。纤维区是裂纹最早形成 的区域，试样在拉伸应力的作用下，首先在局部区域产生缩颈，从而在最小截面处产 生了三向应力，其值在轴线方向上最大。这种三向应力状态制约了试样材料的塑性变 形，使晶界、材料中存在的夹杂物、第二相粒子或缺陷破裂，或第二相粒子与基本材 料交界发生脱离而形成显微空洞，随着应力提高，空洞不断长大，并相互连接，同时 还不断地产生新的空洞，裂纹以外的仍然连接的基体部分则逐渐伸长变细而成纤维状， 随着裂纹逐渐长大，最终这部分材料发生断裂，并在断口上留下纤维状的痕迹。在纤 维区内，裂纹的扩展速度是比较缓慢的。 放射区是紧接着纤维区的第二个区域，其宏观特征呈放射花样，每根放射花样称 为放射元。放射方向与裂纹扩展方向平行，并指向裂纹源。 放射区是裂纹作快速低能量的撕裂而形成的。一般认为，放射花样是由剪切变形 所造成的，即放射花样是剪切型低能量撕裂的一种标志。由此可见，放射花样的形貌 特征与材料塑性变形的能力有关。显然，撕裂时的塑性变形量越大，撕裂功也越大， 其放射元将越粗大；反之，若撕裂时的塑性变形量越小，则所需要的撕裂功也越小， 其放射元也越细。对于几乎不存在塑性变形的材料，则放射花样可能消失，因而在试 样断口上将看不到放射花样的痕迹。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 剪切唇是在断裂过程的最后阶段形成的，由于在这一瞬间试样心部已产生裂纹并 已扩展，仅剩试样缩颈处表面部分连接，所以此时应力状态已发生变化，因此剪切唇 是在平面应力条件下发生的断裂，具有典型的剪切断裂特征，即剪切唇表面比较光滑， 与拉伸应力轴的交角大约为4 5 9 旧。 根据剪切唇在断口上所占的位置及大小的不同，可以有两种情况：第一种是，断 口上只有两个区域，即纤维区和剪切唇，纤维区与剪切唇直接毗邻，裂纹从试样中心 的纤维区向外扩展时，裂纹外侧整个区域都有很大的塑性变形，而剪切唇就在该塑性 区内形成，这时剪切唇在断面上所占的比例较大，甚至可达径向长度的一半，显然， 属于这种情况的材料塑性较好，变形的约束较小，这种情况不能用于连杆的断裂分形； 另一种情况是，断口上同时出现纤维区、放射区和剪切唇。剪切区与放射区毗邻，由 于裂纹在放射区中快速扩展，使塑性变形仅发生在裂纹前端很小的区域内，所以剪切 唇所占的比例很小，因为只有当塑性变形随裂纹扩展达到试样表面时才形成剪切唇。 当断裂过程相对于试样断面来说完全对称时，则剪切唇仅出现于两个断面中的一 侧，呈杯状，而另一侧断面上则呈锥状。如果裂纹中心偏离试样中心，使断裂过程相 对于试样轴不对称，则剪切唇碎片可能同时存在于断口两侧。 在纯金属中还可能出现一种全纤维的断口，它没有剪切唇及放射区，其特征是“双 杯状”。其形成原因是纤维区的裂纹不仅单一地沿垂直轴向的断面方向缓慢扩展，而且 在未断裂区域中，由于强烈的塑性变形，逐渐形成一个很大的中心空间。 值得注意的是，随着试验条件的变化，如试验温度、试样尺寸及试样材料性质的 不同，断口上的三个要素即纤维区、放射区及剪切唇所占的比例是不同的。在某种特 殊条件下，莱一要素的表现并不明显或完全抑制。如对于脆性断口，纤维区往往很小， 而几乎没有剪切唇。以上讨论的是光滑圆柱试样拉伸断口宏观特征，一般来说，断口 的这种典型的宏观特征在其他类型的断口中也是存在的。 同圆形试样一样，矩形试样拉伸断口也有三个区域，但是由于几何形状的差别， 每个区域的特征稍有改变【3 3 1 。正方形试样裂纹源位置与试样表面相对称，其纤维区呈 圆形。矩形扁平试样的中央纤维区呈椭圆形，放射区则出现“人”字纹花样，这是由 于试样几何形状的改变，使裂纹主要沿宽度方向扩展的缘故。矩形试样断口中，在人 字纹形貌中，人字顶端向下方向即为裂纹的扩展方向。在其他类型的断口中，如疲劳 断裂的裂纹快速扩展区也可见到这类人字纹的花样，其人字纹的顶端指向裂纹源区a 华中科技大学硕士学位论文 与圆柱试样相同，靠近表面的区域也是剪切唇。 试样的厚度对断1 3 的形貌也有很大的影响，当试样厚度减小时，剪切唇所占的面 积增大，放射区减小，对于相当薄的板状试样，属于平面应力条件下引起的断裂，其 断口可以变为全剪切断口。对连杆而言，总希望在满足强度要求的条件下，尽可能减 轻重量，但同时应考