基于球墨铸铁曲轴的失效分析..doc

西华大学交通与汽车工程学院本科生毕业设计英文翻译 基于球墨铸铁曲轴的失效分析 奥斯曼阿斯 土耳其阿菲永科扎徳佩大学,乌沙克工程学院机械工程系 XXX XXXX XXX XXX 摘要:本文介绍了一辆由球墨铸铁制成的卡车发动机曲轴的失效分析，该曲轴是感应淬火，曲柄销在保修期内被分裂成两部分。本文正是对这根失效的曲轴进行完整性评估，包括肉眼检验、化学分析、显微硬度测量、拉伸试验和金相检验。经过配备能谱仪的电子扫描仪的检测表明，疲劳是曲轴失效的主导因素。据观察，疲劳裂纹是从曲柄销圆角处开始出现的，曲柄销圆角处没有硬化的显微组织及曲轴中游离石墨、非球形石墨的存在使得曲轴强度降低，导致疲劳产生，并在较弱的区域传播，使得曲轴过早断裂 关键词 曲轴；疲劳；球墨铸铁；失效分析 引言 球墨铸铁是由铸铁与球状石墨组成的。球墨铸铁为结节状、球状，因高强度、高韧性、可加工性好，成本低，被广泛应用于汽车的重要零部件，如曲轴、前轮主轴支架、卡车车桥等[1]。球墨铸铁的力学性能与它们的基体组织有直接的关系，它的基体组织可能完全是铁素体，完全珠光体或两者的结合，分散在基质中。这些基体组织受与铸件截面尺寸及合金元素相关联的冷却凝固点率的影响。由于贝氏体和马氏体是热物理形成的，所以在铸态结构中没有看到。这些基体结构在随后的热处理加工过程中可以改变，不过，有一部分球墨铸铁中的石墨不会因为热处理而改变，它是由凝固过程所决定的。所有这一类材料的机械性能实质上就在于石墨的形状。 一般情况下，铸铁的疲劳强度受石墨形态、基体组织、拉伸强度、试样尺寸、表面状况、表面腐蚀等影响，如退化和载荷类型。铸铁中游离的石墨作为一种固有的性质增大了缺口处疲劳裂纹的产生。因此，铸铁的疲劳性能在很大程度上受石墨的数量、大小、形状以及其内部相互作用的基质所影响[2]。热-机械表面硬化过程通常用来改善球墨铸铁的磨损和疲劳强度，当基质完全是珠光体时，表面硬化是最有效的方法。 在工作中，曲轴因自重、组件的重量或轴承之间的偏差而受到扭转应力和弯曲应力的作用，因此，这些旋转部件容易因经常运转发生扭转和弯曲，从而产生疲劳破坏。疲劳裂纹从动态受力区中最脆弱的地方开始，特别是应力集中的地方。应力集中在本质上可能是机械或金相，或者两者的组合。曲轴应力集中处的形状是不均匀的，比如加工痕迹使得直径的变化，尖角和表面缺陷及缺口等。金相应力集中可消除淬火裂纹、腐蚀凹坑、金属夹杂物，脆韧粒子等[3]。此外，曲轴材料的显微结构不仅在疲劳失效初始阶段起到了至关重要的作用，而且在疲劳裂纹逐步增长过程中会导致组件的失效。 本文是对一个拥有6个缸，缸径为115厘米的柴油发动机的曲轴失效原因的研究，它来自一个汽车修理场，总体外观与失效曲轴的断裂部位如图1所示。曲轴失效发生400小时后，结果会导致发动机发生灾难性的故障。汽修厂的老板指出，类似的失效在保修期之前经常出现。 2.实验步骤 注意从表面和宏观上观察曲轴的失效，避免曲轴表面的损伤。在曲轴的失效区以及非失效区都进行了照片扫描，化学分析，显微硬度测试，并用超声波清洗裂缝表面，然后使用配有能谱分析的仪器对裂缝表面进行检验，并对曲轴上失效部分的机械样品做了常规拉伸试验。 3.结果与讨论 如图1（b）所示，曲轴在曲柄销的部位被折断为两部分。观察可看出断裂从圆角地区开始，因最大残余应力和最大应力的存在，所以在整个曲柄销的截面处断裂进一步扩大。 图1 曲轴失效的一半形式（a） 断裂位置近距离图（b） 典型的曲轴断裂表像如图2所示，断裂处有明显的裂纹区（见标记A）、逐步平坦的疲劳断裂区（见标记FF）以及最终因过载而断裂的区域（见标记OL）。在低应力处，断裂表面具有旋转弯曲疲劳的特征。用肉眼可以清楚的看到，裂纹是从曲柄销圆角区域开始出现的，A区的放大视图如3图所示，可以看出，裂纹表面有断口棘轮现象，这种现象表明多个相对高的应力区存在，断口棘轮也会导致高应力或应力集中出现。棘轮的结合以及小范围的重载区表明即使负载很轻，应力集中也会很大。最终出现裂纹的区域大约为整个截面的20 %，这表明，疲劳是在低公称应力下的高cycle-low应力类型。仔细检查裂纹表面，发现疲劳裂纹的表象，不过，这对球墨铸铁来说是一种正常的失效的现象。 一般来说，曲轴断裂面在裂纹出现处比较平坦，并随之延伸。但在最终断裂处，断裂口与轴成45°角，如图2所示，整个断裂表面是粗糙的，并呈现出银灰色的外观。非球形石墨的存在对疲劳裂纹有一定的影响，产生粗糙的裂口并改变裂纹路径的方向。 用放大镜观测，曲柄销圆角处可以看到一些环向裂纹，如图4.这些裂纹是不被通过的厚度，没有发现明显的磨损形态。类似的小裂缝在主轴颈圆角处也可以找