高负荷活塞材料性能改善的试验研究.pdf

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1、第1期(总第186期)车用发动机No．1(SerialNo．186)2010年2月VEHICLEENGINEFeb．2O1O·制造技术·高负荷活塞材料性能改善的试验研究赵旭东，刘世英，马学军，马呈新，祝传亮(山东滨州渤海活塞股份有限公司，山东滨州256602)摘要：分析了活塞工作压力与工作温度对活塞失效的影响，阐述了活塞燃烧室喉口部位失效模式(机械失效与热机械失效)及失效机理。对普通铸造活塞和局部重熔活塞进行了对比试验研究，从显微组织方面进行了破坏机理的对比分析，指出局部重熔处理工艺可细化材料的微观结构颗粒，降低了材料

2、对微观塑性变形开裂的敏感性，延长柴油机活塞的使用寿命。关键词：活塞；失效；材料性能；局部重熔；铸造铝合金；试验中图分类号：TK425文献标志码：B文章编号：1001—2222(2010)01-0089—03近年来，随着内燃机功率及机械效率的不断提高负荷失效模式。升、部件轻量化以及排放标准的日益严格，内燃机零柴油机活塞燃烧室喉口开裂失效形式包括周期部件的工作条件变得越来越苛刻。为了适应现代新性的燃烧爆发压力导致的开裂以及交变温度产生热型高功率低排放发动机的性能，通过改进燃烧方式应力导致的开裂。图1示出了第一种失效，即在平

3、来提高功率输出是产品设计采用的主要措施之一，行于销孑L方向的燃烧室部位出现裂纹。由轻型柴油与之相应的是发动机燃烧压力和温度急剧增加，这机活塞最高燃烧压力下的有限元计算可知，在最高对发动机缸内组件来说是一个严峻的挑战。燃烧压力负荷下，活塞以活塞销为轴向下弯曲，造成目前，有的高性能柴油机活塞的工作温度已高整个活塞内部应力分布复杂，处于超负荷工作状况达420℃，这一温度对铝合金材料活塞来说是异常下的活塞将会在销孔轴线方向的燃烧室喉口(或气严酷的考验。为此，活塞制造企业正在加大力度研门)部位沿活塞径向出现疲劳裂纹。该类型疲劳裂

4、究如何改善材料的性能以提高活塞承受热负荷的能纹形成后，将以很快的速度扩散并迅速造成整个活力。对活塞进行局部重熔处理来提高活塞薄弱部位塞失效。一般称该失效模式为高周疲劳失效。的方法已经开始在柴油机活塞上应用，局部重熔处理就是对局部材料进行重熔后再快速冷却凝固以达到瞬时淬火的效果，实现局部微观结构颗粒细化。试验证明，经过局部重熔工艺处理的活塞燃烧室喉一—●●口部位的耐久性可提高4～8倍。本研究主要对重熔处理材料与普通铸造材料进行对比，以验证重熔处理对活塞材料性能的改善作用，并对其改善机理进行分析。1柴油机活塞燃烧室喉口的典

5、型失效模式柴油机活塞工作时承受的负荷主要取决于活塞图1活塞高周疲劳失效的结构尺寸、试验类型、发动机运行参数等。如果活发动机运行过程中，活塞不同部位的温度分布塞工作温度和工作压力分别达到或超过400℃和不同，而且随着发动机的运行，温度也在发生着变20MPa时，活塞燃烧室喉口部位将出现热机械疲化，这导致了活塞的热膨胀也不断变化。当活塞处劳与高周疲劳导致的疲劳微裂纹，这是非常典型的于受热状态时，在燃烧室边缘喉口部位产生沿圆周收稿日期：2009—07—02；修回日期：2009—12—12作者简介：赵旭东(1973一)，男，高级

6、工程师，硕士，主要从事活塞设计及结构仿真分析工作；zxd19955991@163．com。·9O·车用发动机2010年第1期方向的切向压应力，处于散热状态时则产生切向拉为方便观察裂纹的出现过程，在试验前对样件应力，交变热应力造成疲劳裂纹的形成并缓慢扩散，上的长度标样进行了抛光处理，分别在施加交变热最终导致活塞失效，这一失效模式称为热机械疲劳负荷2O，50，100，200，500，1000，2000次循环后利失效。活塞的热机械疲劳失效见图2(包括活塞温用扫描电镜进行微观结构破坏情况检查。度场有限元计算与活塞开裂失效实物)

7、。3试验结果对比与分析3．1试验结果对比图3示出了材料进行试验前的微观结构。深灰色的初晶硅与浅灰色的合金相悬浮在铝固溶体晶格中，两种材料的金相组织是相同的，但是金相颗粒尺寸■相差很大。在普通铸造样件中，初晶硅和合金相的尺寸达到50m，而重熔处理样件的颗粒仅为4～5m。图2活塞热机械疲劳应当注意的是，这两种疲劳因素往往会同时起作用，而且复合作用下造成的疲劳失效比单一因素造成的失效更加严重。一一a普通铸造材料b重熔处理材料2试验简介图3活塞材料的显微结构试验用活塞的材料为铸造铝合金，成分为硅两样件在相同条件下进行试验，图4

8、为施加热12．09／6～14．59／6，铜3．79／6～5．2，镁0．5～负荷循环后两样件表面微观结构变化的对比。由电1．5，镍1．7～3．2，铁小于0．7，其余为铝。镜扫描图片可知，即使在热应力循环次数较少的情两试验样件均取自同一模具(重力铸造)活塞的头况下，普通铸造样件已经产生了明显的微观塑性变部，其一为普通铸造后的取样，另一