船用柴油機連桿斷裂失效分析

劉凱 仇立兵 朱奎 王樹綱

摘要：為解決某船用柴油機連桿斷裂失效故障，分析連桿斷口宏觀及微觀形貌、金相組織及非金屬夾雜物、化學(xué)成分及力學(xué)性能，確定連桿失效原因，提出改進措施并進行驗證。分析結(jié)果表明：連桿螺紋孔根部加工粗糙造成應(yīng)力集中，連桿中非金屬夾雜物較多，且存在與螺紋根部呈一定角度的帶狀偏析，導(dǎo)致非金屬夾雜物在螺紋根部露頭，加劇應(yīng)力集中，在交變力作用下產(chǎn)生裂紋并擴展，使連桿斷裂。采取降低連桿非金屬夾雜物含量、變更連桿鍛造工藝、提高連桿螺栓孔加工質(zhì)量等改進措施后，進行約4 000 h實機運行驗證，未再發(fā)生連桿斷裂故障。

關(guān)鍵詞：連桿；失效分析；非金屬夾雜物；疲勞斷裂

中圖分類號：TK423.3文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）02-0090-07

引用格式：劉凱，仇立兵，朱奎，等.船用柴油機連桿斷裂失效分析［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2024，41（2）：90-96.

LIU Kai，QIU Libing，ZHU Kui， et al. Failure analysis of connecting rod fracture for a marine diesel engine［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2024，41（2）：90-96.

0 引言

連桿與活塞、曲軸一起將活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)換為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動 ^[1]。柴油機運行過程中，連桿承載情況復(fù)雜，不僅承受由壓縮、拉伸、彎曲、沖擊組成的拉壓疲勞負荷，還承受彎曲負荷和其他附加負荷，因此連桿不僅應(yīng)具有足夠的強度和剛度，同時還應(yīng)具備較好的抗疲勞能力和抗沖擊韌性^[2]。柴油機連桿斷裂時有發(fā)生，連桿工作的可靠性是發(fā)動機研發(fā)過程中的重點之一。連桿的可靠性和壽命直接影響柴油機的可靠性和壽命，船用柴油機連桿斷裂嚴重時可能導(dǎo)致柴油機報廢、船體開艙^[3]。眾多學(xué)者通過仿真、金相分析、掃描電鏡分析等方法對連桿斷裂嚴重問題進行研究：賈德文等^[4]運用多體動力學(xué)對連桿疲勞壽命進行分析，確定連桿疲勞壽命危險區(qū)域，并進行斷裂疲勞壽命預(yù)測分析；范明君等^[5]采用斷口分析、材質(zhì)復(fù)驗等方法對某柴油機斷裂連桿進行分析，結(jié)果表明連桿為疲勞斷裂， 且斷裂裂紋起始于連接螺紋孔底部微小加工缺陷；王延君等^[6]對某柴油機斷裂進行斷口分析、應(yīng)力測試及疲勞強度評估分析，結(jié)果表明該連桿螺栓孔螺紋加工質(zhì)量差，造成局部殘余應(yīng)力和形狀應(yīng)力集中，致使連桿在該部位斷裂失效。

本文中針對某船柴油機連桿斷裂導(dǎo)致柴油機缸套、機體損壞故障進行分析，確定連桿斷裂原因，并從設(shè)計、加工等角度提出改進措施。

1 故障現(xiàn)象

某船用柴油機在運行過程中發(fā)生連桿大端斷裂故障，并由此造成第6缸缸套下部、活塞和連桿螺栓斷裂，機體受損出現(xiàn)裂紋。經(jīng)確認，該柴油機已運行約6 680 h，在約6 200 h時進行中修。中修時發(fā)現(xiàn)第6缸連桿螺栓六角頭部磨損，無法安裝，因此更換螺栓。中修結(jié)束后，主機累計運行約480 h時發(fā)生連桿斷裂故障。連桿、活塞開裂情況如圖1所示。

由圖1可知：連桿桿身存在明顯的彎曲變形，連桿大端斷裂，斷裂位置位于連桿大端短臂側(cè)連桿螺栓孔螺紋根部位置。根據(jù)螺栓安裝位置對該連桿上的螺栓進行編號，如圖2所示，連桿斷裂位置位于1^#、2^#螺栓側(cè)。

2 失效原因分析

2.1 化學(xué)成分分析

連桿材料為2006 34CrMoS4。依據(jù)文獻[7]對連桿斷口兩側(cè)的基體進行微量化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知，斷口兩側(cè)的連桿材質(zhì)均符合標準要求。

2.2 力學(xué)性能試驗

在連桿桿身長臂側(cè)（螺栓未斷裂處）、大端蓋及桿身處分別取拉伸、沖擊及硬度試樣，進行力學(xué)性能分析，結(jié)果如表2所示。

由表2可知：連桿的力學(xué)性能指標均滿足要求；斷面收縮率及沖擊功測試結(jié)果表明，在強度滿足要求的條件下，連桿具有較好的塑性和韌性。

2.3 宏觀斷口分析

對連桿斷口進行宏觀分析，斷口宏觀形貌如圖3所示。

由圖3可知：斷口端面未見明顯的塑性變形，且兩側(cè)斷口均可見明顯貝殼紋^[8]，連桿斷裂為疲勞斷裂，結(jié)合貝紋線及斷口形貌可知裂紋始于1^#螺栓孔的第3個螺紋的根部；斷口光滑、致密，瞬斷區(qū)面積小，說明連桿運行時所受應(yīng)力小，初步判定連桿斷裂為長期低應(yīng)力作用下的彎曲疲勞斷裂^[9]。

2.4 微觀斷口分析

2.4.1 連桿斷口分析

清洗連桿斷口，利用場發(fā)射掃描電鏡，按照文獻[10]規(guī)定的方法觀察1^#、2^#螺栓孔斷面形貌，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：1^#螺栓孔處斷口裂紋源區(qū)存在明顯擠壓損傷，螺栓孔1^#、2^#端面裂紋擴展區(qū)均呈現(xiàn)疲勞輝紋特征^[11]。

2.4.2 連桿螺栓孔螺紋形貌分析

因為連桿在1^#、2^#螺栓孔處斷裂，且斷裂處螺紋存在擠壓損傷情況，為分析連桿螺栓孔的加工情況，對3^#螺栓孔處未與3^#螺栓螺牙配合的螺紋A～F進行切割取樣，3^#螺栓取樣位置如圖5所示。

對螺紋A～F根部進行0518掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)螺紋A～F根部加工均較為粗糙，其中螺紋C根部存在微裂紋^[12]。螺紋B、C根部的掃描電鏡圖像如圖6所示。

2.5 金相分析

分別截取連桿斷口1^#螺紋孔的第3個螺紋（裂紋源處）及斷裂位置附近基體、3^#螺栓的剖面試樣，記為試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，取樣位置如圖7所示。對試樣進行鑲嵌、磨拋、化學(xué)侵蝕處理后置于顯微鏡下觀察。

2.5.1 試樣Ⅰ、Ⅲ金相分析

試樣Ⅰ、Ⅲ的金相分析如圖8所示。

由圖8a）可知：裂紋始于第3個螺紋的根部，螺栓孔底部內(nèi)壁加工較為粗糙，與螺栓第3個螺牙配合處存在明顯擠壓變形，連桿基體及螺牙處均存在帶狀偏析（硫化物分布），并與螺紋根部呈一定角度（與螺牙面約成45°）。

由圖8b）可知：螺栓孔根部內(nèi)壁加工均較粗糙，且連桿基體及螺牙處均存在帶狀偏析（硫化物分布）并與螺紋根部基本平行。

2.5.2 試樣Ⅱ金相分析

根據(jù)文獻[13]推薦的A檢驗法評定試樣Ⅱ非金屬夾雜物含量的級別，結(jié)果如表3所示。由表3可知：試樣Ⅱ各類非金屬夾雜物含量雖均滿足文獻[13]要求，但粗系及細系硫化物含量均接近限值。試樣Ⅱ非金屬夾雜情況如圖9所示。由圖9可知，非金屬夾雜物含量較多且呈帶狀分布。試樣Ⅱ的金相分析如圖10所示。由圖10可知：斷裂位置附近的連桿基體組織為回火索氏體和少量的鐵素體，基體組織明顯存在硫化物的帶狀偏析^[14]。

2.6 連桿失效原因

綜上所述：1^#螺栓孔的第3個螺紋根部加工粗糙，導(dǎo)致該區(qū)域應(yīng)力集中；連桿中含有較多的非金屬夾雜物，割裂了基體的連續(xù)性^[15]；非金屬夾雜物的帶狀偏析流線與螺紋根部成一定角度，非金屬夾雜物在螺紋根部露頭，加劇該區(qū)域應(yīng)力集中情況，在連桿慣性力長期作用下萌生裂紋，以疲勞的方式擴展，當裂紋擴展至剩余截面無法承受工作應(yīng)力后，連桿斷裂。連桿一側(cè)因疲勞斷裂，在慣性力的作用下，另一側(cè)連桿螺釘彎曲斷裂，連桿大端蓋飛出導(dǎo)致機體受損，連桿桿身部脫離曲軸曲柄約束，擺動過程中導(dǎo)致缸套、活塞裙受損，并與曲軸連桿頸碰撞，導(dǎo)致連桿桿身彎曲。

3 改進措施及驗證

3.1 改進措施

針對連桿失效原因，根據(jù)生產(chǎn)工藝實際，提出以下改進措施：1）控制連桿非金屬夾雜物含量，在連桿技術(shù)要求中在提高對非金屬夾雜物的含量要求，將硫化物粗系等級提高至1.0級別；2）改進連桿鍛造工藝，保證連桿鍛造流線與螺紋孔根部平行；3）提高連桿螺栓孔加工質(zhì)量，并加強檢驗，確保螺紋孔表面質(zhì)量滿足技術(shù)要求。

3.2 改進措施驗證

根據(jù)改進措施對連桿生產(chǎn)過程進行控制。加工連桿時，通過調(diào)整底孔直徑、進給轉(zhuǎn)速及控制刀具壽命的方式改善連桿螺栓孔螺紋表面質(zhì)量。改進后的連桿基體金相組織和螺紋根部質(zhì)量情況如圖11所示。

對比圖6、9、11可知：改進后連桿中非金屬夾雜物明顯減少，螺紋加工紋路得到改善，螺紋表面質(zhì)量明顯提高。

改進后連桿非金屬夾雜物評級情況如表4所示。由表4可知，改進后連桿非金屬夾雜物含量等級符合使用要求。

柴油機換裝改進后連桿，進行約4 000 h實機運行驗證，未出現(xiàn)連桿斷裂故障，改進方案有效，后續(xù)繼續(xù)跟蹤驗證情況。

4 結(jié)語

通過宏觀及微觀斷口分析、金相組織及非金屬夾雜物分析、化學(xué)成分及力學(xué)性能分析確定船舶發(fā)動機連桿斷裂的原因，提出改進措施并進行驗證。

1）造成連桿斷裂失效的主要原因為第3個螺紋根部加工粗糙造成應(yīng)力集中、連桿中非金屬夾雜物較多，且存在與螺紋根部呈一定角度的帶狀偏析。

2）采取降低連桿非金屬夾雜物含量，改進連桿鍛造工藝，提高連桿螺栓孔加工質(zhì)量等改進措施后，進行約4 000 h實機運行驗證，未再發(fā)生連桿斷裂故障。

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Failure analysis of connecting rod fracture for a marine diesel engine

LIU Kai， QIU Libing， ZHU Kui， WANG Shugang

Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute，Shanghai? 200090，China

Abstract：To solve the fracture of connecting rod in a certain marine diesel engine， the cause of connecting rod failure is determined through macroscopic fracture analysis， microscopic fracture analysis， metallographic structure and non-metallic inclusion analysis， chemical composition and mechanical performance analysis， some Improvement are also introduced and verified. The analysis results show that rough machining at the root of the connecting rod thread causes stress concentration， and there are many non-metallic inclusions in the connecting rod， with strip segregation at a certain angle to the root of the thread. This leads to non-metallic inclusions exposing at the root of the thread， exacerbating stress concentration， and generating cracks and expanding under the action of alternating forces， causing the connecting rod to fracture. After taking improvement measures such as reducing the content of non-metallic inclusions in connecting rods， changing the forging process of connecting rods， and improving the machining quality of connecting rod bolt holes， the actual machine operation verification are carried out approximately 4000 hours， and no connecting rod fracture fault occurres again.

Keywords：connecting rod; failure analysis; non-metallic inclusions; fatigue fracture

（責任編輯：臧發(fā)業(yè)）