卡車柴油機(jī)高壓油管開裂分析

李旭東，于志偉，許曉磊

(大連海事大學(xué) 材料科學(xué)與工程系，遼寧 大連 116024)

0 引言

高壓油管是柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的一個(gè)重要零部件，對(duì)燃油噴射特性以至整個(gè)柴油機(jī)的工作有著不可忽視的影響[1-2]。國(guó)內(nèi)外對(duì)高壓油管失效相關(guān)的研究一直在進(jìn)行。Z. Mazur等[3]發(fā)現(xiàn)油管表面腐蝕以及服役支撐不足引起的振動(dòng)可能導(dǎo)致油管開裂；Xu等[4]論述了材料選擇不當(dāng)引起的疲勞斷裂；張耀豐等[5]認(rèn)為熱處理工藝不良是導(dǎo)致高壓油管失效的主要原因。柴油機(jī)工作時(shí)，高壓油管受到內(nèi)部燃油的循環(huán)壓應(yīng)力,內(nèi)壁表面處周向應(yīng)力達(dá)到峰值[6-7]。起源于高壓油管內(nèi)壁表面的縱向開裂，是高壓油管主要失效模式之一[8]；因此，分析高壓油管縱向開裂失效的原因，對(duì)優(yōu)化高壓油管加工工藝，提高其服役的安全性和可靠性具有重要意義。

多臺(tái)重型汽車的柴油機(jī)高壓油管(15件)在正常運(yùn)行中發(fā)生開裂漏油，累計(jì)服役2～10萬(wàn)km。失效高壓油管材料為DSG1600，交貨狀態(tài)為冷拔去應(yīng)力退火態(tài)，油管經(jīng)內(nèi)壁強(qiáng)化處理[9-10]。

本研究對(duì)開裂油管的裂紋形態(tài)、斷口形貌以及金相組織進(jìn)行觀察，確定高壓油管的失效機(jī)制，并對(duì)失效原因進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 裂紋形態(tài)觀察

1)油管外表面裂紋形態(tài)。

體視顯微鏡觀察表明，失效的15件柴油機(jī)高壓油管均在管體的3個(gè)不同彎曲處的內(nèi)凹表面發(fā)生縱向開裂，為方便分析，將3個(gè)彎曲處分別標(biāo)記為1彎、2彎、3彎(圖1)。其中，9件油管在1彎處開裂(占60%)，3件在2彎處開裂(占20%)，另3件在3彎處開裂(占20%)。

掃描電子顯微鏡低倍觀察顯示，失效油管內(nèi)凹表面裂紋長(zhǎng)度為8.9～13.0 mm，這些裂紋較直，與油管縱向有10°～15°的偏角，裂紋匹配良好，而且裂紋呈現(xiàn)出中間部位寬，兩端窄的態(tài)勢(shì)(圖2)。

圖1 油管開裂位置Fig.1 Cracking position of oil-pipes

圖2 裂紋形貌Fig.2 Macro morphology of crack

2)油管內(nèi)表面裂紋形貌。

失效高壓油管內(nèi)孔裂紋形貌如圖3所示?？梢娛в凸軆?nèi)孔表面較粗糙，并且有明顯的縱向短程微切削痕跡。由微切削痕跡前緣堆起的切屑可以確定，這種微切削的切削程度非常強(qiáng)烈，如圖3b黑色箭頭所示。

未經(jīng)噴砂處理的內(nèi)孔表面如圖4所示，其內(nèi)表面主要由縱向拉長(zhǎng)的晶粒組成，反應(yīng)出典型的冷拔鋼管特征，但未見微切削加工損傷；因此，可以確定失效油管油孔表面上的微切削痕跡應(yīng)是在內(nèi)孔噴砂處理過(guò)程中形成的，即硬砂粒高速?zèng)_刷油孔引起了內(nèi)壁表面微切削。

圖3 內(nèi)孔表面SEM觀察Fig.3 SEM observation on crack morphology on the internal surface of pipe

圖4 未經(jīng)噴砂處理油管的內(nèi)孔表面形貌Fig.4 Macro morphology of internal surfaces without grit-blasting operating

1.2 斷口形貌

1)斷口宏觀形貌。

失效油管斷口均展示了相似的宏觀特征(圖5)?？梢钥闯?，失效油管的斷口表面出現(xiàn)了由內(nèi)向外的放射裂紋擴(kuò)展痕跡，裂紋源位于油管內(nèi)孔表面，在裂紋擴(kuò)展區(qū)可以觀察到疲勞斷裂的典型宏觀形貌——疲勞弧線，這表明油管的失效模式均屬于疲勞開裂[11]。

圖5 斷口宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of fracture surface

2)斷口微觀形貌。

開裂油管斷口表面的SEM觀察顯示，開裂油管斷口表面裂紋擴(kuò)展區(qū)均出現(xiàn)了疲勞斷裂的典型微觀形貌特征——疲勞條帶，且疲勞條帶由內(nèi)孔向外圓弓出，并且在斷裂面上可以觀察到法線方向指向裂紋源的疲勞二次微裂紋(圖6b)。這進(jìn)一步證實(shí)失效油管的裂紋源位置、裂紋擴(kuò)展方向以及油管的開裂模式與宏觀觀察結(jié)果是一致的。在裂紋源的內(nèi)壁表面可觀察到非常明顯的微切削痕跡，這表明嚴(yán)重微切削的油孔表面易于萌生疲勞裂紋(圖6a)。裂紋源正對(duì)的外圓表面區(qū)域出現(xiàn)了明顯的剪切撕裂臺(tái)階，這表明失效油管服役過(guò)程中承受了扭轉(zhuǎn)載荷，當(dāng)裂紋前端疲勞擴(kuò)展至凹側(cè)外圓表面時(shí)，裂紋則失穩(wěn)并迅速向兩側(cè)擴(kuò)展，形成了肉眼可見的宏觀裂紋。

1.3 金相組織觀察

開裂油管的金相組織由塊狀鐵素體+珠光體組成，內(nèi)孔及外圓表面無(wú)明顯的脫碳組織(圖7)。此外，化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果符合技術(shù)要求。

圖6 失效油管斷口微觀形貌Fig.6 Micro morphology of the fracture surface

圖7 油管橫截面顯微金相組織Fig.7 Cross-sectional microstructure of pipe

1.4 噴砂砂粒檢測(cè)

XRD衍射結(jié)果顯示，噴砂處理用砂主要由堅(jiān)硬的剛玉(Al2O3)和石英(SiO2)組成。SEM觀察顯示砂粒尺寸為0.3～0.8 mm，砂粒帶有明顯棱角(圖8)。

2 分析與討論

2.1 開裂位置和擴(kuò)展方向

裂紋初始擴(kuò)展方向應(yīng)與油管內(nèi)壓有關(guān)。實(shí)際服役過(guò)程中油管內(nèi)孔承有一定的管壓。根據(jù)彈性力學(xué)原理，在管內(nèi)壓Pa為P、管外壓力Pb為0情況下，管壁內(nèi)r處受有的周向應(yīng)力σθ和徑向應(yīng)力σr，見式(1)[12]。

(1)

式中a、b分別為油管的內(nèi)孔半徑和外圓半徑。從式(1)可見，油管受有的周向拉應(yīng)力σθ和徑向壓應(yīng)力σr均隨r減小而增大，在內(nèi)壁表面(r=a)所受的應(yīng)力最大。徑向壓應(yīng)力σr對(duì)油管開裂無(wú)影響，而周向拉應(yīng)力σθ會(huì)引起油管縱向開裂，油管內(nèi)壓是驅(qū)使管壁萌生微裂紋并沿徑向擴(kuò)展的動(dòng)力載荷。鄧夕勝等[13]通過(guò)有限元軟件計(jì)算了后壁彎管受內(nèi)壓力產(chǎn)生的切向應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)在彎曲處內(nèi)側(cè)內(nèi)壁表面應(yīng)力達(dá)到最大值，高壓油管更易在該處產(chǎn)生縱向開裂。為確定失效油管更易在1彎處開裂的原因，采用Ansys有限元軟件計(jì)算高壓油管整體在受內(nèi)壓時(shí)的應(yīng)力，對(duì)高壓油管模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，使其3個(gè)彎曲處于同一平面，在只受內(nèi)壓力的條件下其VON-MISES應(yīng)力云圖如圖9所示。由圖可見，在1彎內(nèi)側(cè)內(nèi)表面應(yīng)力達(dá)到最大，失效高壓油管更易在1彎處發(fā)生開裂，但同時(shí)可以看出，第2、3彎處內(nèi)表面應(yīng)力與第1彎處相差并不大，故也有油管在第2、3彎處發(fā)生開裂失效。

圖8 噴砂處理用砂微觀形貌Fig.8 Micro morphology of grits

此外，開裂位置和裂紋取向還應(yīng)與油管的結(jié)構(gòu)和裝配約束有關(guān)。通過(guò)上述低倍觀察可知，高壓油管均在3處彎曲位置的內(nèi)凹側(cè)表面出現(xiàn)了偏折裂紋。一般在僅有內(nèi)壓情況下，周向應(yīng)力σθ只能在油管表面形成縱向裂紋并沿此向擴(kuò)展，而不會(huì)出現(xiàn)偏向擴(kuò)展；因此，油管一定還受到其他切向載荷(或自身內(nèi)應(yīng)力)作用。疲勞開裂屬于拉應(yīng)力作用下的正向開裂，依據(jù)油管表面裂紋的偏折方向可以確定出扭轉(zhuǎn)載荷方向。由于油管僅在兩端墩頭處施加載荷，可以確定出墩頭兩端所受的扭矩M方向(圖10中黑色箭頭方向)。扭矩作用于整個(gè)油管，在彎曲處的內(nèi)凹表面所受的剪切應(yīng)力τ比外凸表面大，所以剪切應(yīng)力τ與內(nèi)孔周向拉應(yīng)力σθ疊加使得內(nèi)凹側(cè)的主應(yīng)力要大于外凸側(cè)，因此內(nèi)孔表面裂紋更傾向于在內(nèi)凹側(cè)表面萌生、擴(kuò)展。

圖9 開裂油管Mises應(yīng)力云圖Fig.9 VON-MISES stress distribution of oil-pipe

圖10 開裂彎曲處受力分析Fig.10 Diagrammatic sketch of stress distribution at the bend locations of oil-pipe

2.2 開裂原因分析

疲勞開裂對(duì)其表面加工質(zhì)量非常敏感，尤其是出現(xiàn)與最大主應(yīng)力方向垂直的加工刀痕[14-15]。在內(nèi)孔噴砂處理過(guò)程中形成的強(qiáng)烈縱向微切削痕跡與服役過(guò)程中油壓在內(nèi)孔表面形成的周向拉應(yīng)力σθ方向垂直，這是導(dǎo)致內(nèi)孔表面萌生疲勞裂紋的主要因素。此外還發(fā)現(xiàn)，油孔表壁的微切削程度越嚴(yán)重，相應(yīng)的表面縱向微裂紋數(shù)量也越多；油孔表壁的微切削程度越輕，其表面縱向微裂紋也較少，表明硬質(zhì)顆粒高速?zèng)_刷與油孔表壁萌生微裂紋的內(nèi)在必然聯(lián)系和一致的變化趨勢(shì)。

綜上分析，可以確定失效油管的裂紋萌生和擴(kuò)展過(guò)程：內(nèi)孔噴砂處理時(shí)，在高速氣流帶動(dòng)下，具有棱角的堅(jiān)硬剛玉和石英砂粒噴入油孔，在油孔表壁形成了軸向微切削。油管服役過(guò)程中，交變油壓作用在油孔表面產(chǎn)生了周向交變拉應(yīng)力，并在嚴(yán)重的微切削刀痕處萌生了疲勞裂紋，那些微裂紋優(yōu)先在油管內(nèi)孔凹側(cè)表面萌生并向外表面擴(kuò)展。在裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段(月牙狀擴(kuò)展區(qū))，裂紋基本沿徑向和軸向所確定的平面擴(kuò)展，當(dāng)裂紋前端擴(kuò)展至靠近油管凹側(cè)外表面時(shí)，由于扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用分為兩段裂紋，且瞬間各自沿相反的方向折向擴(kuò)展，在油管表面形成了撕裂臺(tái)階和偏轉(zhuǎn)裂紋，導(dǎo)致油管開裂并引起燃油泄漏。

3 結(jié)論

1)油管均在彎曲處的內(nèi)凹區(qū)域開裂，裂紋主要呈縱向且略有偏轉(zhuǎn)，其失效模式均屬于疲勞開裂。裂紋源位于其內(nèi)孔表面，并由內(nèi)表面向外表面疲勞擴(kuò)展。噴砂處理過(guò)程中砂粒強(qiáng)烈沖刷形成的內(nèi)孔縱向微切削是導(dǎo)致其疲勞裂紋萌生且最終引起開裂的主要原因。

2)油管的金相組織由塊狀鐵素體+珠光體組成，晶粒較細(xì)，表層無(wú)明顯脫碳組織?；瘜W(xué)成分檢測(cè)結(jié)果表符合技術(shù)要求。

3)在裝配、服役過(guò)程中，油管整體存在扭轉(zhuǎn)載荷，使裂紋出現(xiàn)折向擴(kuò)展。

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