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柴油机连杆盖及连杆螺栓断裂分析
于利军
吴云忠
(大连市产品质量监督检验所 大连116021)
(大连锻压机床厂 大连116600)
戴雅康 任瑞铭
(大连铁道学院 大连116028)
摘 要：采用化学分析，金相检验及力学性能测定方法对汽车柴油机在运行中发生的连杆盖及上、下螺栓的早期断裂进行了分析。结果表明，连杆盖首先发生疲劳断裂，随后导致连杆螺栓的断裂，而这种断裂既与应力有关，又与零件的加工工艺有关。
主题词：连杆；连杆螺栓；断裂分析
1 连杆盖及连杆螺栓的断裂概况
“黄海”牌汽车柴油机连杆及连杆螺栓的形状及主要尺寸见图1。在修理柴油机时，新配了连杆及连杆螺栓。连杆牌号为“NF”，连杆螺栓的头部注有“JQB12.9”标志。在装机使用后仅两个月，连杆盖及连杆螺栓便断裂，造成柴油机缸体破裂的严重事故。图2为连杆盖及连杆螺栓的断裂照片。
(a) (b)
图1 连杆和连杆螺栓的形状及主要尺寸(mm)
图2 断裂连杆盖和连杆螺栓实物照
2 材质检验
2.1 化学成分分析
在连杆盖和连杆螺栓处取样进行化学成分分析，结果列于附表。由附表可见，两种零件的化学成分均符合GB3077-1988标准中42CrMo合金结构钢标准的要求。
2.2 显微组织及硬度
连杆盖及连杆螺栓经调质处理后的显微组织均为回火索氏体。连杆盖的硬度为259HBS(在规定的217～293HBS范围内)，连杆螺栓的硬度为3915HRC，略高于GB3271-1982《内燃机连杆螺栓技术条件》中规定的硬度值(30～38HRC)。因此，该柴油机连杆盖与连杆螺栓的材质及力学性能符合使用要求。
3 断口分析
3.1 连杆盖断口
图3为连杆盖断口的宏观形貌及其示意图，可以看出该断口属于疲劳断口，疲劳裂纹源产生于下连杆座面与斜面相交的加工刀痕线(A处)上，裂纹由连杆盖表面向内孔方向扩展。B区为疲劳裂纹扩展区，具有典型的海滩状花样，并呈现出一些间距不等的“休止弧线”和裂纹扩展放射线。C区为瞬断区，其断口表面较为粗糙。
(a) 1.3×
(b)
图3 连杆盖宏观断口形貌(a)及示意图(b)
3.2 上连杆螺栓断口
两个上连杆螺栓在产生了较大的弯曲变形并形成了颈缩后断裂，因而是韧性断裂，其宏观断口形貌见图4。在连杆螺栓的弯曲凸起部位，由于拉伸应力的作用，在其中部产生裂纹源，形成纤维区(图4b中A)，然后裂纹向四周扩展，形成放射区(图4b中B)，最后在螺杆的四周形成剪切唇(图4b中C)而断裂。
(a) 2×
(b)
图4 上连杆螺栓宏观断口形貌(a)及断口侧面示意图(b)
3.3 下连杆螺栓断口
两个下连杆螺栓断在螺栓孔内的最前面两个丝扣上，断口较平齐，属脆性断裂。
连杆螺栓在装配时需要用一定的预紧力将连杆与连杆盖相联接。由于预紧力的作用及螺纹缺口应力集中的影响，使螺纹根部的应力水平接近或超过材料的屈服强度，因而产生低周疲劳断裂，其断口形貌示于图5。在螺纹根部的弧线A上形成多处疲劳源。疲劳裂纹扩展区(B)较小，裂纹沿表面扩展比向心部扩展速度快，因而呈凹弧面扩展，并逐步转向平直或凸弧线，疲劳贝纹线间距较宽。由于应力较大，瞬断区C占有较大面积，在螺栓边缘处形成剪切唇。
(a) 2×
(b)
图5 下连杆螺栓宏观断口形貌(a)及示意图(b)
4 断裂原因分析
该连杆有三个零件产生断裂，首先必须分析各零件的断裂次序，明确首先断裂的零件，以查明断裂的根本原因。
柴油机连杆与连杆盖通过连杆螺栓的预紧力作用组成一个整体。连杆螺栓在正常服役时主要承受预紧力及活塞组和连杆组质量惯性力的拉伸作用，不承受弯曲应力，因此，不可能产生上连杆螺栓那样的塑性弯曲断裂。至于下连杆螺栓，在较大的脉动拉伸应力和缺口的影响下，产生低周疲劳断裂的可能性是存在的，但若下连杆螺栓首先断裂，则连杆盖便与连杆脱开，而不承受应力，因而连杆盖亦就不会产生断裂。因此，下连杆螺栓首先断裂也是不切合实际的。
因此，本连杆首先发生断裂的零件应是连杆盖。由图2可见，连杆盖的断裂面距上连杆螺栓较远，而距下连杆螺栓较近。上连杆螺栓除承受较大的脉动拉伸应力外，还承受断裂连杆盖所产生的惯性力及离心力作用的弯曲应力，由于拉伸应力与弯曲正应力的叠加，最终产生韧性弯曲断裂。下连杆螺栓虽然承受的弯曲应力较小，但连杆盖与曲轴撞击力较大，因而产生低周疲劳断裂。
4.1 应力分析
连杆盖在服役过程中主要承受由活塞组的往复惯性力及连杆本身惯性力而产生的拉应力，当气缸爆发压力载荷时，其外表面几乎不承受应力。因此，连杆盖外表面承受的是脉动拉伸应力，但这种应力在连杆盖各处的分布是不均匀的。通过有限元计算和光弹试验[2]，其最大拉应力值在下连杆螺栓座面的过渡圆角处(图6)，其值较平均应力高1倍以上，是连杆盖的最危险断面。
图6 连杆盖的应力分布图
4.2 工艺分析
图7为连杆盖上螺栓座面与倾斜面的照片，其加工刀痕清晰可见。此外，螺栓座面与倾斜面相交处应为圆角过渡，其圆角半径应为R2.5。但此失效件交角处却无圆角过渡，而是较尖锐的刀痕(图7中箭头指处)。在交变载荷作用下，尖锐的刀痕已发展成裂纹(图8中箭头指处)。由图6可见，在外载荷作用下，上螺栓座外表面承受的是压应力，该裂纹不会扩展，但下螺栓座外表面承受的是最大拉应力，该裂纹便成为疲劳源而产生疲劳断裂，这就是连杆盖产生早期疲劳断裂的主要原因。
图7 连杆盖倾斜面上的加工刀痕
图8 连杆盖上螺栓座面交角处的裂纹 80×
5 结论
(1)柴油机连杆盖及上、下连杆螺栓的断裂，首先是连杆盖断裂，由此导致上连杆螺栓的弯曲韧性断裂及下连杆螺栓的低周疲劳裂断。
(2)连杆盖下螺栓座面与倾斜面相交处承受最大拉应力，而该处机械加工粗糙，且两平面交角处无圆角过渡，尖锐的交角产生较大的应力集中而形成裂纹。这就是造成连杆盖早期疲劳断裂的主要原因。
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