排氣系統(tǒng)纏繞式金屬軟管斷裂原因分析

顏 婧，馮繼軍，張鑫明，盧柳林，劉 勝，高 勇

(東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心 工藝研究所，武漢 430056)

排氣系統(tǒng)纏繞式金屬軟管斷裂原因分析

顏 婧，馮繼軍，張鑫明，盧柳林，劉 勝，高 勇

(東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心 工藝研究所，武漢 430056)

卡車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中的纏繞式金屬軟管在行駛過程中發(fā)生斷裂及卡死現(xiàn)象。通過宏觀分析、斷口觀察、金相分析、能譜分析及硬度檢測等手段，對金屬軟管斷裂的原因進(jìn)行分析：粘著磨損和磨粒磨損導(dǎo)致金屬軟管的截面厚度逐漸變薄，截面變薄后零件抗疲勞性能下降，最終發(fā)生疲勞斷裂。發(fā)生卡死的原因是車輛在行駛過程中，由車輪激起的泥沙或其他異物逐漸進(jìn)入金屬軟管空隙，在金屬軟管間隙內(nèi)淤積，而卡死也加速了金屬軟管的斷裂。針對失效原因，提出了防止金屬軟管發(fā)生卡死和斷裂的方法。

排氣系統(tǒng)；纏繞式金屬軟管；磨損；斷裂；卡死

0 引言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管與消聲器之間由于發(fā)動(dòng)機(jī)的三維相對運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，一般采用軟連接以避免振動(dòng)過大而造成其他硬部件損害。這種軟連接有3種：活性節(jié)、波紋管和金屬軟管。其中由于金屬軟管先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，減振、補(bǔ)償和保護(hù)兼?zhèn)涞墓δ埽壳耙讶〈皟煞N軟連接，并廣泛應(yīng)用在各國卡車的排氣系統(tǒng)中[1-4]。它對排氣系統(tǒng)的貢獻(xiàn)主要有[1]：1)柔性連接，能夠有效平衡連接軸之間的軸向、側(cè)向和橫向的位移；2)衰減發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞給排氣管的振動(dòng)和噪聲；3)具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可以部分承載排氣系統(tǒng)的懸掛；4)其特定的結(jié)構(gòu)使其具有彈性，在最短的連接長度上實(shí)現(xiàn)了最大的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和膨脹補(bǔ)償。金屬軟管有3種結(jié)構(gòu)，威斯法利ASS型、SSS型以及DSS型。ASS型金屬軟管是一種雙層內(nèi)扣式結(jié)構(gòu)，它的伸縮和柔性彎曲是通過2個(gè)“S”型的鎖扣之間的相互滑動(dòng)完成的。SSS型和DSS則是在ASS型的基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，比ASS型多了更多層的鋼帶[3]。

金屬軟管必須正確安裝，其安裝長度應(yīng)在最大拉伸與壓縮長度的中間位置。若安裝不當(dāng)，金屬軟管容易在不正常部位，即端部發(fā)生斷裂[5-6]。金屬軟管起減振作用的部分為近發(fā)動(dòng)機(jī)端，約占整個(gè)軟管長度的1/3，其他長度區(qū)域則屬于補(bǔ)償安裝公差段[6]。在使用過程中，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，內(nèi)扣接觸面有摩擦，且間隙內(nèi)容易積聚淤泥。久而久之會(huì)發(fā)生斷裂或被卡死，失去柔性伸縮的能力，不能有效吸收發(fā)動(dòng)機(jī)傳來的振動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致其他部件損壞，甚至波及消聲器[7]。因此，很有必要分析金屬軟管的失效機(jī)理。

本研究所分析的金屬軟管為ASS型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在使用過程中發(fā)生了斷裂，其余部分位置則卡死不能伸縮。故障時(shí)行駛里程為3萬多km(標(biāo)準(zhǔn)要求是保證10萬km內(nèi)不失效)，其使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期。經(jīng)市場返回的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，同類型的金屬軟管發(fā)生較大比例斷裂，其斷裂的里程基本都集中在4萬km以下。本研究對失效的金屬軟管進(jìn)行宏觀分析、斷口分析、金相分析、能譜分析等，找到金屬軟管發(fā)生斷裂和卡死失效的原因，并提出改進(jìn)建議。

圖1 金屬軟管宏觀及縱向剖視圖Fig.1 Macrograph and longitudinal section of flexible metal pipe

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 宏觀分析

金屬軟管的宏觀形貌如圖2a所示，表面布滿泥土，呈土黃色，內(nèi)表面則有黑色的積碳。斷裂位置在靠近發(fā)動(dòng)機(jī)一端約2～4扣處，斷裂處的細(xì)節(jié)如圖2b所示，在外側(cè)表面可以看到殘留的斷口。將斷裂處拉開后如圖2c所示。將斷裂部分切下后，打開纏繞的S型鋼帶，可見有2個(gè)方向的裂紋，一是在折彎處的呈周向的裂紋(圖2d)，另一處是呈軸向(或縱向，圖2e)的裂紋，兩個(gè)方向裂紋交匯時(shí)，最終導(dǎo)致了排氣管斷裂。周向的裂紋相對來說較平直，縱向的裂紋有的平直有的則比較曲折，斷裂處截面非常的薄。

1.2 斷口宏、微觀觀察

將金屬軟管的周向和縱向斷口都放置在掃描電鏡內(nèi)觀察，其周向斷口的截面均非常薄，約0.02 mm，有的已被磨損，局部保存完好區(qū)域的斷口微觀如圖3a、圖3b所示，起源為線源，斷口的特征為疲勞，源區(qū)未見異常；圖3c、圖3d所示為縱向斷口的低倍形貌，從內(nèi)側(cè)表面起源，線源，斷口微觀特征如圖3d所示，為疲勞特征?？v向斷口截面厚度約0.4 mm。

圖2 金屬軟管斷裂位置及斷口形貌Fig.2 Macrograph of fracture

觀察斷口側(cè)面，其磨損形貌如圖4所示。磨損形態(tài)為粘著磨損+磨粒磨損。磨粒的成分經(jīng)能譜分析，主要含有O、Si、Al、Ca、Mg等(圖5)。

1.3 金相分析

圖6為縱向截面的金相宏觀圖，取樣位置分別在斷口附近和遠(yuǎn)離斷口處(圖2a箭頭所指)，測量其截面的厚度，結(jié)果見表1?？芍?，斷裂處的截面均不同程度的變薄，最薄處的截面厚度僅僅0.02 mm，而其他遠(yuǎn)離斷口處的截面厚度也并不均勻，厚度為0.3～0.6 mm。

圖3 周向和縱向斷口宏、微觀形貌Fig.3 SEM morphology of circumferential and longitudinal fracture

圖4 表面磨損形貌Fig.4 SEM surface abrasion morphology

圖6 金屬軟管的金相組織形貌 Fig.6 Metallographic morphology of flexible metallic pipe

圖6a所示為斷裂位置附近的金相截面宏觀圖，可見不同區(qū)域的截面厚度不一樣，在折彎處的厚度明顯變薄，非折彎處截面也有變薄現(xiàn)象。圖6b所示為遠(yuǎn)離斷口區(qū)的金相截面，可見折彎處呈弧線的表面被磨平，非折彎處也被磨損。圖6c、圖6d所示為圖6a中A區(qū)域放大后的形貌，可見斷裂處截面變得非常薄，但其斷口平整，并無變形痕跡；圖6e為金屬軟管相互接觸的兩鋼帶的金相組織形貌，可見其磨損表面有凹凸不平的痕跡。且晶粒內(nèi)部有較多的孿晶變形帶，其中平行呈帶狀的區(qū)域可能為ε馬氏體，而2個(gè)帶狀交叉的區(qū)域可能為α’馬氏體區(qū)[8]。

1.4 化學(xué)分析

對金屬軟管進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果如表2所示。其中Cr、Ni含量剛好在304不銹鋼的成分要求的下限。

表2 金屬軟管化學(xué)成分檢測結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 2 Chemical composition of flexible metallic pipe (mass fraction /%)

1.5 硬度檢測

對金屬軟管的金相截面進(jìn)行顯微硬度測試，結(jié)果如表3所示。在折彎處由于原材料加工硬化的影響，其硬度比非折彎處高。

表3 金屬軟管金相截面硬度測試結(jié)果Table 3 Hardness of flexible metallic pipe

2 分析與討論

金屬軟管的裂紋有兩個(gè)方向，一是沿著S型折彎處的周向裂紋，從表面起源，為線源，沿著軟管的截面厚度方向擴(kuò)展；另一個(gè)是呈縱向(或軸向)的裂紋，也是從表面起源，為線源，沿著截面厚度方向擴(kuò)展；當(dāng)兩個(gè)方向的裂紋交匯后，最終導(dǎo)致了金屬軟管的斷裂。通過對周向折彎處的斷口以及縱向斷口做微觀分析發(fā)現(xiàn)，斷裂源均為線源，源區(qū)無明顯材料缺陷，斷口擴(kuò)展區(qū)的特征均為疲勞特征。另外，其斷口截面均存在不同程度的減薄，觀察到的斷裂截面最薄處僅僅為0.02 mm(其他未磨損區(qū)域的截面厚度則約為0.6 mm)；斷口截面雖變薄，但斷口附近并無變形痕跡，說明其截面的變薄并非因塑性拉伸引起。

而斷口附近的鋼帶表面存在明顯的磨損痕跡，其磨損特征為粘著磨損+磨粒磨損。據(jù)文獻(xiàn)[9-11]報(bào)道，304不銹鋼如與摩擦副發(fā)生摩擦，也主要以粘著磨損機(jī)制為主，且隨著表面摩擦的進(jìn)行，表層組織會(huì)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。在載荷和摩擦剪切應(yīng)力的作用下，由于表層晶粒細(xì)化、以及高密度位錯(cuò)的綜合作用使得304不銹鋼的顯微硬度增大；因此，在本案例中，金屬軟管斷口附近的顯微硬度比基體稍高，但其顯微硬度的提高并不能提升其疲勞性能，第一是軟管截面本身較薄，并且隨著磨損的消耗，截面變得更薄，其疲勞性能隨著下降。另外，表層誘發(fā)馬氏體的增加對SUS304奧氏體不銹鋼的磨損無明顯影響[12-13]。因此可以這樣說，雖然在摩擦的過程中，304不銹鋼表面出現(xiàn)了馬氏體，顯微硬度也升高，但這不能阻止不銹鋼薄板表面的材料損耗以及疲勞強(qiáng)度的下降。

在本研究中，除了粘著磨損，其表面還有磨粒磨損的痕跡，這些磨粒成分主要是Si、O之類，是外界帶入的塵土或泥沙顆?；烊肓私饘佘浌荛g隙，磨粒加劇了不銹鋼帶的磨損。泥沙滲入除了加劇磨損之外，更造成了金屬軟管不能再自由伸縮，即發(fā)生卡死現(xiàn)象。而金屬軟管部分區(qū)域卡死，也造成了其他區(qū)域的受力異常，更加速了此區(qū)域的斷裂的發(fā)生。

另外，本研究金屬軟管的斷裂位置在接頭附近(靠近發(fā)動(dòng)機(jī)一端)的約第2～4扣處，而這個(gè)位置正處于振幅最大，振動(dòng)最為頻繁的區(qū)域內(nèi)[6]；因此，其斷裂的主要原因主要是振動(dòng)和磨損造成的疲勞斷裂。

金屬軟管的結(jié)構(gòu)是由雙層304不銹鋼薄帶纏繞內(nèi)扣而成，屬于ASS結(jié)構(gòu)，其鋼帶之間存在一定間隙，在振動(dòng)過程中，相互接觸的鋼帶摩擦磨損不可避免；且車輛屬于工程車，工作環(huán)境十分惡劣，行駛過程中泥漿、水、塵土等會(huì)逐漸帶入金屬軟管的間隙處，成為摩擦副之間的磨粒，加劇磨損。當(dāng)進(jìn)入鋼帶間隙的泥沙等異物逐漸增多，最終會(huì)導(dǎo)致金屬軟管卡死。因此，防止金屬軟管發(fā)生類似失效的方法是：第一，采用威斯法利DSS型軟管，該軟管特殊的結(jié)構(gòu)可以防止泥沙滲入內(nèi)部[2]；第二，適當(dāng)加厚鋼帶的截面厚度，提高疲勞性能；第三，不要將軟管安裝在車輪附近。

3 結(jié)論與建議

1)金屬軟管為疲勞斷裂，其斷裂的主要原因是在振動(dòng)情況下，鋼帶表面發(fā)生粘著磨損加磨粒磨損，磨損導(dǎo)致截面變薄后疲勞強(qiáng)度下降，而最終發(fā)生疲勞斷裂；外界泥沙等異物滲入金屬軟管間隙導(dǎo)致其發(fā)生卡死現(xiàn)象，這也是導(dǎo)致其斷裂的次要原因。

2)改進(jìn)建議：采用威斯法利DSS型軟管；適當(dāng)增加鋼帶的厚度；不要將軟管安裝在車輪附近。

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Fracture Analysis of Spiral Flexible Metal Pipe in Exhaust System

YAN Jing，F(xiàn)ENG Ji-jun，ZHANG Xin-ming，LU Liu-lin，LIU Sheng，GAO Yong

(MaterialandTechnologyResearchInstitute,TechnicalCenterofDongfengCommercialVehicleCo.,Ltd.,Wuhan430056,China)

A spiral flexible metal pipe in the exhaust system of a truck fractured and locked during service. Macro observation, fracture analysis, metallographic analysis， energy spectrum analysis and hardness testing were carried out to find out the failure cause. It is found that adhesive wear and abrasive wear gradually made the section of the pipe thin, resulting in the decrease of the fatigue performance of the pipe and the final fatigue fracture. While the truck was running, soil and other foreign matters splashed up by the tyres gradually went into the clearance of the flexible pipe and deposited in the clearance, which finally resulted in the locking of the pipe. The locking accelerated the fatigue fracture of the pipe. Based on the failure cause, some methods were proposed to prevent locking and fracture.

exhaust system; spiral flexible metal pipe; wear; fracture; locking

2016年12月3日

2017年1月20日

顏婧(1983年-)，女，碩士，工程師，主要從事汽車零部件的失效分析和理化檢驗(yàn)工作。

TG115

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.01.009

1673-6214(2017)01-0043-06