汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門彈簧斷裂失效分析

袁成逸 丁 華 馮 波 陽大云 徐文雷

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

氣門彈簧是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件，它屬于配氣機(jī)構(gòu)中的核心結(jié)構(gòu)件。發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，借助氣門彈簧自身的彈力，并在凸輪的共同作用下控制氣門的開閉，保證氣門的正確回位。當(dāng)氣門彈簧在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)發(fā)生斷裂，會(huì)導(dǎo)致氣門不能正常歸位，活塞與氣門發(fā)生干涉，使得氣門桿與活塞發(fā)生損壞，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)生熄火的現(xiàn)象，并引發(fā)交通事故[1-4]。

某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)在做混合循環(huán)耐久試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)異響的現(xiàn)象，拆機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)2 號(hào)缸排氣門彈簧發(fā)生斷裂失效，排氣門彈簧材料為55SiCr，主要生產(chǎn)工藝為：下料→熱軋→退火→剝皮→拉拔→熱處理→卷簧→去應(yīng)力退火→磨削加工→噴丸→熱強(qiáng)壓→清洗浸油。為查明發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門彈簧斷裂失效的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了理化檢驗(yàn)與分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢查

圖1 示出了發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門彈簧斷裂件的宏觀形貌，斷裂位于箭頭所指位置（圖1a），斷口附近無明顯宏觀塑性變形現(xiàn)象。采用DSX-WZHU 型OLYMPU數(shù)碼光學(xué)顯微鏡觀察排氣門彈簧斷口的整體宏觀形貌見圖1b，其中裂紋源為點(diǎn)源（圖中圈內(nèi)所示），裂紋源距彈簧表面約401 μm，中間顏色較暗的區(qū)域?yàn)榱鸭y擴(kuò)展區(qū)，兩側(cè)顏色較亮的區(qū)域?yàn)樗矓鄥^(qū)。

圖1 斷裂排氣門彈簧的宏觀形貌

1.2 微觀斷口形貌

采用Teneo 型FEI 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)排氣門彈簧斷口進(jìn)行微觀形貌觀察，觀察位置如圖1b所示。裂紋源區(qū)可見明顯的放射條紋形貌，其收斂處為裂紋源（圖2a），對(duì)裂紋源進(jìn)一步放大，可見大小約為11.71 μm×26.33 μm 的夾雜物；裂紋擴(kuò)展區(qū)可見疲勞斷裂特征（圖2c）；瞬斷區(qū)A 與瞬斷區(qū)B 均為韌窩形貌（圖2d、e）。

圖2 排氣門彈簧的微觀斷口形貌

1.3 微區(qū)成分

利用X-MAX 150 型OXFORD 能譜儀對(duì)排氣門彈簧斷口的裂紋源進(jìn)行微區(qū)成分分析，結(jié)果見圖3，可以得出裂紋源區(qū)的非金屬夾雜物主要由氧化鋯與鐵硅酸鹽組成。

圖3 排氣門彈簧斷口微區(qū)成分分析

1.4 化學(xué)成分

采用ICAP7400 型Thermo Fisher Scientific 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀對(duì)斷裂排氣門彈簧的Si、Mn、Cr、Ni、Cu 及P 元素含量進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T 20125—2006《低合金鋼多元素的測(cè)定電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》；采用HCS-140 型德凱高頻紅外碳硫分析儀對(duì)斷裂排氣門彈簧的C 和S元素含量進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T 20123—2006《鋼鐵總碳硫含量的測(cè)定高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法（常規(guī)方法）》。所測(cè)結(jié)果見表1，其化學(xué)成分滿足GB/T 1222—2016《彈簧鋼》的技術(shù)要求。

表1 斷裂排氣門彈簧的化學(xué)成分 wt%

1.5 金相組織

沿排氣門彈簧斷口附近截取試樣，磨制拋光并經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后用Axio M2m 型Zeiss 金相顯微鏡進(jìn)行觀察，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，表面無脫碳現(xiàn)象，其微觀組織為回火屈氏體，如圖4 所示。

圖4 排氣門彈簧的微觀組織

1.6 硬度

采用DuraScan50 型Struers 維氏硬度計(jì)對(duì)斷裂排氣門彈簧進(jìn)行表面硬度與有效硬化層深度測(cè)試，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T 4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn) 第1 部分：試驗(yàn)方法》，試驗(yàn)載荷為1 kgf，結(jié)果見表2，硬度符合相關(guān)圖紙的技術(shù)要求。

表2 斷裂排氣門彈簧的硬度（HV1）

2 斷裂原因分析

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可知，斷裂排氣門彈簧的化學(xué)成分、金相組織以及硬度均滿足技術(shù)要求。結(jié)合斷口與能譜分析可知，該失效排氣門彈簧的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，非金屬夾雜物主要由氧化鋯和鐵硅酸鹽組成。

由于氧化鋯與鐵硅酸鹽為低變形率夾雜物，與鋼彈性模量的明顯差異會(huì)在其周圍產(chǎn)生一種徑向應(yīng)力，不能有效地傳遞鋼基體中的外應(yīng)力，極易誘發(fā)疲勞裂紋[5]。另一方面，村上敬宜（Murakami）等人[6]提出材料疲勞強(qiáng)度與夾雜物尺寸之間存在關(guān)系：

式中：σω為材料的疲勞強(qiáng)度；HV 為維氏硬度；area為夾雜物缺陷等效面積。

由此公式可推算出，斷口裂紋源區(qū)大小約為11.71 μm×26.33 μm 的非金屬夾雜物可使該失效排氣門彈簧的疲勞強(qiáng)度降低約37.97%。因此，裂紋源存在非金屬夾雜物是排氣門彈簧在此次發(fā)動(dòng)機(jī)混合循環(huán)耐久試驗(yàn)中發(fā)生疲勞斷裂的主要原因。

3 結(jié)論

本文通過斷口形貌、微區(qū)成分、化學(xué)成分、金相組織及硬度等測(cè)試手段分析了排氣門彈簧的失效形式和原因，得出以下主要結(jié)論：

1）該排氣門彈簧的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，裂紋源存在以氧化鋯和鐵硅酸鹽為主、尺寸約為11.71 μm×26.33 μm 的非金屬夾雜物是造成此次排氣門彈簧失效的主要原因。

2）建議優(yōu)化排氣門彈簧原材料的煉鋼工藝，嚴(yán)格控制鋼在凝固過程中的冷卻速度，避免此類大顆粒尺寸非金屬夾雜物的產(chǎn)生。