稀土球墨铸铁曲轴断裂的分析.doc

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1、稀土球墨铸铁曲轴断裂的分析张琴(鞍钢附企给排水净水剂厂鞍山114011)摘要：运用线弹性断裂力学理论研究柴油机稀土球墨铸铁曲轴断裂强度和寿命问题。曲轴断裂的主要原因在于曲柄臂与连杆轴颈过渡圆角处存在缺陷，这个位置的缺陷在疲劳扩展达到临界状态时便导致曲轴失稳断裂。根据断裂力学理论和实验分析，提出了降低断裂率的一些途径。关键词：稀土球墨铸铁；曲轴断裂；裂纹扩展速率；临界裂纹尺寸；表面裂纹1概述曲轴是内燃机的关键部件，目前许多工厂采用球墨铸铁生产柴油机曲轴。球墨铸铁具有强度高、耐磨、抗震性好、成本低等优点，用以代替合金结构钢有着重大意义。然而，球墨铸铁相对合金结构钢而言，韧度差，易于发

2、生脆断，以球墨铸铁曲轴为例，有些工厂生产的曲轴断裂率达到1％以上，远远超出断裂率0．1％的指标。曲轴断裂的重要原因在于曲柄臂与连杆轴颈过渡圆角处存在缺陷。这个位置的缺陷(裂纹或夹杂等)在疲劳扩展达到临界状态时便导致曲轴失稳断裂。现以290柴油机的稀土球墨铸铁曲轴为例分析曲轴断裂问题。我国现在生产的290型柴油机曲轴，不少工厂是用含磷高的地方铸铁，经球化处理而直接制造的，它的化学性能见表1，常规机械性能见表2。与过去常用于锻造曲轴的40Cr合金结构钢相比，稀土球墨铸铁的韧度显然要低得多，曲轴的断裂部位绝大多数都在靠动力输出端的曲柄臂与连杆轴颈过度圆角处(见图1)，属于弯曲疲劳断裂，

3、呈现脆性断裂特征。2工作应力的实验测定2．1光测弹性应力分析[1]试验采用三维光弹模型，模型材料用环氧树脂制造，模型尺寸为原结构的1／2。采用集中加载，使曲轴得到三角形弯距。模型材料条纹值(按照径向受压圆盘试样测量出值)，实物应力与模型应力之间的关系为式(2)。根据测得的应力条纹图，计算沿曲轴实际破坏断面(即与轴线成45°面)的各点的应力——式(3)为剪应力，式(4)为正应力，式(5)为主应力。应力分布见图2，计算结果见表3。结果表明，最大拉应力位于曲柄臂与连杆轴颈的内过渡圆角边上，σmax=213MPa。光弹实测结果充分说明，曲轴断裂源是过渡圆角处的缺陷或裂纹，在交变的主应力作

4、用下，发生疲劳扩展，最后裂纹深度达到某种临界状态而导致脆断。2．2电测残余应力(电阻应变仪)290型柴油机曲轴是整体铸造后经过正火—回火处理以及机械加工而成。因而，不可避免存在残余应力。在对裂纹进行断裂力学分析时，必需涉及残余应力的影响。现在实际曲轴上采用应力松弛法进行测定。首先在曲轴的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ等四个过渡圆角部位贴上2×3mm的电阻应变片，然后用机械加工方法释放贴应变片处的应力，用静态应变仪测量应变，然后计算出残余应力。实测结果(见表4)表明，实际残余应力都大于规范要求的0．1～0．2的标准。3抗断性能参数的测定按照有关试验方法测得：(1)对于经正火—回火工艺处理的稀土球墨

5、铸铁，从偏安全考虑，取ΚIC=84．5kg／mm。(2)对于经表面软氮化处理的试样，测得ΚIC=117kg／mm3/2。(3)对于经等温淬火处理的试样测得：高硅中锰情况σs=1250MPa，ΚIC=162kg／mm；低硅中锰情况σs=1180MPa，ΚIC=136kg／mm。试验结果表明，经表面软氮化处理后，平面应变断裂韧度ΚIC值，比现行的经正火—回火工艺处理的曲轴的ΚIC值提高38．5％；经等湿淬火处理后，ΚIC值提高55．5％~90％，同时材料的屈服强度也大大提高。4临界裂纹尺寸由于稀土球墨铸铁的平面应变断裂韧度ΚIC较低，曲轴断裂实际上属于弯曲引起的脆断，因而用线弹性断裂

6、力学Κ数据来计算曲轴失稳断裂时的临界断裂尺寸，是完全合理的。实际断裂多是由于表面裂纹达到临界失稳状态(即裂纹深度达到临界尺寸ac)而产生，所以可建立图3所示的断裂力学模型。一般情况下，表面裂纹产生于第Ⅳ曲轴(动力输出端)与连杆轴经交界的过渡圆角内侧；设表面裂纹为半椭圆片状，长度为2c，深度为a；裂纹面与曲轴面和连杆轴径表面母线都成45°，表面裂纹与前自由界面成90°折角；裂纹面所受张力为σ，包括工作应力与残余应力，它们都垂直于裂纹面，按偏安全考虑张力σ，视为均匀分布；工作应力取光弹实测的圆角处最大主应力213MPa，残余应力按标准取材料屈服极限σs的10％；曲轴的加油孔对过渡圆角

7、处裂纹尖端应力强度因子的影响作为后自由边界的影响，取b=10mm。根据断裂力学模型，裂纹尖端应力强度因子ΚI值表达式为[2]：式(7)用曲线表示如图4所示。设ac为临界裂纹尺寸，将上述ΚI式代入线弹性断裂力学应力强度因子ΚI断裂判据ΚI=Κc中并加整理，得从上式可解得临界裂纹尺寸ac。计算结果：(1)对现行经正火—回火工艺处理的曲轴，按图3断裂力学模型，取ΚIC=84．5kg／mm3/2，σ=213+5．67=270MPa，b=10mm，F(s)=0．91代入上式，求得过渡圆角处