摇臂件和连杆疲劳失效分析.doc

l 内燃机摇臂件的失效（一） 零件失效情况内燃机排气门摇臂件采用40CrNiMoA钢，经过模缎、调质处理加工制成。零件在常温下工作，主要承受弯曲交变载荷。载规定使用寿命期内该件发生断裂，零件及断裂部位形貌示于图6-26。匹配断口吻合良好，断口附近无宏观可见的塑性变形。（二） 试验研究1 断口观察断口的宏观形貌示于图6-27，整个断口较为平坦、光滑，而部分地区有磨损现象。按断口特征可分为三个区域：中间部位较为光滑的平坦区，为裂纹扩展区，放射状棱线集中于靠近表面的小平面，可以认为是裂纹萌生区，与中间平坦区相交的斜断口，属于韧性瞬断区。将位于摇臂凸棱边上的裂纹源区放大观察，断口呈黑色且粗糙（图6-28）。裂纹扩展区的大部分表面受到磨损，但在瞬断区与扩展区之间有明显不同的形貌特征。由以上的现象可以认为，它具有疲劳断裂的断口特征，为进一步分析其失效性质，对断口作微观分析。切取包括源区在内的断口试样，面积1015mm，其扫描电镜照片示于图6-29。它与一般的疲劳源区的断口形貌不同，表面呈层片状，质地松散。源区和扩展区的x射线能谱成分分析结果表明，两个区的合金元素（主要是Cr，Ni，Mo）含量有很大差异（图6-30）。2 显微组织的观察通过源区截面切取金相试样。浸蚀前，表层有灰色物嵌入基体金属（图6-31）；浸蚀后，片状嵌入物两侧呈现出严重氧化脱碳。由嵌入物向基体内打显微硬度（负荷为1000N），各点的硬度值分别为：1630，1660，1870，2020，2150，2150，2820，2820，3000，3200，3200Mpa（见图6-32）。表层脱碳部位的硬度值最低（HV=1630Mpa）,而未脱碳的基体硬度最高（HV=3200Mpa）.零件材料为索氏体组织，晶粒度为78级，均符合技术条件要求。3 X射线微区成分分析用电子探针测定了裂纹源区（即片状嵌入物）和扩展区的嵌含量，由表6-3的数据可见，扩展区的含碳量约为源区的5倍，这表明在调质热处理之前，零件表面就已经存在裂纹，而在热处理加热过程中，裂纹两侧在高温下发生氧化脱碳。4 力学性能及化学成分分析由失效零件上取样作力学性能及化学成分分析，其结果列于表6-4。它们均符合技术条件的要求。（三） 结果分析1 失效性质分析零件在工作中主要承受弯曲交变截荷。断口的源区和瞬断区分别处于扩展区的两侧，它们的面积远小于扩展区的面积。扩展区内具有宏观和微观的疲劳特征，这表明零件属于疲劳失效。根据失效性质故障树的分析方法，摇臂的失效是一种单向弯曲疲劳失效（图6-33）。2失效原因分析失效零件的显微组织，力学性能以及化学成分等符合技术条件的要求。裂纹源区表面暗灰色，且十分粗糙，完全不同于一般表面上形成的疲劳源的断口形貌。对源区的显微组织、显微硬度、化学成分以及裂纹形貌等所作的试验表明，裂纹源处出现严重的氧化脱碳现象。片状的嵌入物可能是热处理前锻造过程中嵌入零件次表面层的氧化皮，在交变载荷下显然它起着类裂纹的作用，裂纹由此扩展，并导致疲劳断裂。根据失效原因故障树的分析，零件系由于锻造工艺不当而引起的疲劳失效（图6-34）。（四） 结论摇臂件在制造过程中，由于锻造工艺不当，使氧化皮嵌零件次表面，由此导致零件的早期疲劳失效。l 柴油机连杆的失效（一） 零件失效情况拖拉机用柴油机连杆采用45号优质碳素钢制成。连杆的设计应力为Qmin=132.5Mpa(压)，Qmax=171Mpa(拉)，频率为9Hz，在上述条件下的设计寿命应满足N108次循环的要求，连杆在发动机的实际实验中，到达N=2.15106时发生断裂，断裂部位多集中于连杆大头和小头的杆身，如图6-35所示。（二） 试验研究1 断口分析零件的表面粗糙，杆身表面满形状和尺寸不等的麻坑。连杆的宏观断口形貌示于图6-36。凹缘上带有幅射状花样的平坦区为裂纹萌生区（箭头所示）。图6-37所示为裂纹源的宏观形貌。对扩展区和瞬断区断口作二次复型点镜观察，扩展区各处可见到间断的疲劳条带，由于匹配面的相互摩擦，一些地区的条带变得模糊不清（图6-38a，b）。瞬断区呈现出卵形韧窝花样（图6-38c）。2 显微组织观察通过裂纹源区切取试样，浸蚀前由表面向内部测量显微硬度，压痕由大逐渐变小（图6-39），说明表面层的硬度低于心部。浸蚀后，发现表层由于脱碳而变成白色组织，其深度约为0.2mm（图6-40）。钢的金相检验表明，其组织为索氏体，晶粒度为78级，均符合技术条件要求。3 力学性能及化学成分分析连杆材料的力学性能和化学成分分析结果列于表6-5，它们均符合材料的技术条件要求。（三） 结果分析连杆宏观断口呈现出明显的疲劳断裂三个特征区，扩展区内又出现清晰的疲劳条带，这些特征表明连杆系属疲劳失效。连杆的显微组织、化学成分及力学性能都符合技术条件的规定。但是由于锻造和热处理工艺不当，致使表面出现大量的麻坑并且有严重的表面脱碳现象。已有充足的试验结果指出，提高表面粗糙度和表面脱碳等，都会在不同程度