某汽油机连杆断裂失效分析

某盲法兰垫片断裂失效分析

摘要：某气体公司工艺气锅炉出现故障，气体出口处盲板法兰保温层被烧毁。装置内的介质为H2、CO和CH4，出口处气体温度为300~400℃，操作压力约为2.5MPa。盲法兰拆开后发现垫片外环断裂。该垫片为非标缠绕垫，用于非标法兰，垫片结构形式为带内外环的缠绕式垫片，设计压力为2.5MPa，法兰密封面型式为突面。本文对某盲法兰垫片的断裂进行了失效分析。

关键词：失效分析；垫片；疲劳

引言：垫片外环的断裂属于高平均应力水平下的疲劳断裂。材料的力学性能、化学成分符合316L不锈钢的标准，外环的疲劳断裂与材料无关。垫片的安装不当导致外环在挤压变形严重的区域周向拉应力很大，在交变载荷的作用下发生疲劳断裂，其中高的局部周向拉应力是导致疲劳开裂的主要原因。基于此，在接下来的文章中，将围绕某盲法兰垫片断裂失效方面展开详细分析，希望能够给相关人士提供参考价值。

一、宏观形貌

（一）外环宏观形貌

盲板法兰处的密封垫片为不锈钢缠绕式垫片，垫片外环（以下简称“外环”）材料为316L，服役时间约5个月，断裂位于最下端螺栓与外环接触处的位置并且断口垂直于外环周向。外环与每个螺栓接触地方都有被挤压的宏观可见的变形，各螺栓处的挤压变形不均匀，其中断裂处的变形最大（约1.5mm深），外环表面未发现点蚀坑。

（二）断口宏观形貌

外环外侧（外环与螺栓接触区）有很明显的挤压塑性变形，出现明显的凹坑。外环内侧（外环远离螺栓区）有明显的颈缩现象。外环断口的厚度由外侧向内侧方向逐渐减小。外侧壁厚无明显减薄，是最初裂开的位置；内侧壁厚明显减薄并伴随大的塑性变形，属于最终断裂的区域。在外环壁厚的中心部位出现突起状区域，形如断裂时最终的颈缩部位。断裂向内侧发展时断口上的应力愈发变大，并引发塑性拉伸变形使得断面收缩变薄。这个逐步颈缩的过程说明了裂纹是由外侧向内侧径向扩展的，同时伴随了明显的塑性变形及颈缩的过程，也说明整个过程中外环断裂位置所受的周向应力是很大的。宏观分析表明垫片外环的断裂可能是由应力腐蚀或者疲劳导致。

２０１３年１０月　第８卷第５期　失效分析与预防　Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０１３　Ｖｏ１．８，Ｎｏ．５　连杆螺栓断裂失效分析　关文秀　，姜涛　（１．航天重型工程装备有限公司，武汉４３００４０；　２．北京航空材料研究院中航工业失效分析中心，北京１０００９５；３．中航试金石检测科技有限公司，北京１０００９５）　［摘要］发动机连杆螺栓发生断裂失效，通过断口宏微观观察、金相组织检查、硬度及拉伸性能测试、螺纹尺寸测量和化学　成分分析，对连杆螺栓断裂原因进行了分析。结果表明：螺栓的断裂性质为疲劳断裂；螺栓的金相组织及化学成分未见异　常，硬度及拉伸性能符合要求，螺纹尺寸不符合标准要求。综合分析认为：螺栓发生松动是螺栓断裂的根本原因；螺栓松动　与装配时预紧力过小和螺纹直径偏小有关。针对断裂原因，提出了预防措施。　［关键词］连杆螺栓；疲劳；螺栓松动；装配　［中图分类号］Ｕ４６４　［文献标志码］Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－６２１４．２０１３．０５．００６　［文章编号］１６７３－６２１４（２０１３）０５－０２８２－０５　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　Ｒｏｄ　Ｂｏｌｔ　ＧＵＡＮ　Ｗｅｎ．ｘｉｕ　’　．ＪＩＡＮＧ　Ｔａｏ　’　（１．Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｈｅａｖｙ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ　４３００４０，Ｃｈｉｎａ；　２．ＡＶＩＣ　Ｆａｉｌｕｒｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｂｅ￣ｊｉｎｇ　１０００９５，Ｃｈｉｎａ；　３．ＡＶＩＣ　Ｔｏｕｃｈ—ｓｔｏｎｅ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００９５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｒｏｄ　ｂｏｌｔ　ｉｎ　ａｎ　ｅｎｇｉｎｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅｄ．Ｍａｃｒｏ　ａｎｄ　ｍｉｃｒｏ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ，　ｈａｒｄｎｅｓｓ　ｔｅｓｔｉｎｇ，ｔｅｎｓｉｌｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｔｅｓｔｉｎｇ，ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗｅｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｔｏ　ｆｉｎｄ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｒｏｄ　ｂｏｌｔ　ｆｒａｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｂｏｌｔ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｍｏｄｅ　ｗａｓ　ｆａｔｉｇｕｅ．Ｔｈｅｉｒ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈａｒｄｎｅｓｓ，　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ａｌｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｓｔａｎｄａｒｄ，ｂｕｔ　ｓｃｒｅｗ　ｔｈｒｅａｄ　ｓｉｚｅ　ｗａｓ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｓｔａｎｄａｒｄ．　Ｓｏ　ｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ　ｔｈａｔ　ｂｏｌｔ　ｌｏｏｓｅｎｅｓｓ　ｗａｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｒｅａｓｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ．Ｔｈｅ　ｂｏｌｔ　ｌｏｏｓｅｎｅｓｓ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｌｏｗｅｒ　ｐｒｏｌｏａｄ　ｗｈｅｎ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ａｎｄ　ｓｍａｌｌｅｒ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｌｏｔ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｓｕｌｔ，ｓｏｍｅ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｗｅｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｒｏｄ　ｂｏｌｔ；ｆａｔｉｇｕｅ；ｂｏｌｔ　ｌｏｏｓｅｎｅｓｓ；ａｓｓｅｍｂｌｙ　０　引言　螺纹紧固件是不可缺少的机械零件，发动机　是由大小不同和各零件按照特定的要求和组合方　式有机地连接起来的，在连接过程中采用最多的　方式就是螺纹连接。螺纹连接是发动机各部件之　间最常用的连接方式，大概占到发动机连接的　７０％ｕｊ。同时螺纹连接还是汽车、内燃机等众多　机械行业装配作业中广泛采用的一种方法。汽车　发动机连杆螺栓在工作过程中要承受活塞连杆往　复运动惯性力和连杆旋转离心力的交变载荷，而　且在气缸的压缩和爆发行程中，还要受到每分钟　上千次交变应力的冲击　ｊ。连杆螺栓的受力特　点决定了它是发动机的薄弱零部件　；因此，连　杆螺栓的失效分析与预防十分重要。　一增压汽油机进行台架试验，当发动机转速　约为４　ｋｒ／ｍｉｎ时，发动机缸体两侧突然喷出白烟，　而后发动机排气侧出现明火，启动台架急停。台　架检查发动机四缸进排气侧都有破损口，连杆盖　及连杆螺栓断裂，其他零部件完好。试验时油温　不超过１００℃。该连杆螺栓材料牌号为４０Ｃｒ，表　面经氧化处理，强度级别为１０．９级，技术要求为　硬度为３５～４０　ＨＲＣ、ｏｒｂ≥１　０４０　ＭＰａ、ｏｒ０　２为９４０　～１　０７０ＭＰａ。　本研究对连杆及螺栓的损伤特征进行了宏微　观观察，对螺栓的金相组织及硬度进行了检查，对　连杆的化学成分和力学性能进行了检测，确定了　［收稿日期］２０１３年６月７日　［修订日期］２０１３年９月１７日　［作者简介］关文秀（１９８９年一），女，硕士，主要从事机械装备无损检测技术和失效分析等方面的研究。

第６期（总第２２３期）

２０２０年１２月机械工程与自动化

ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．６

Ｄｅｃ．

文章编号：１６７２６４１３（２０２０）０６０１３１０３

基于某Ｖ型８缸汽油机气门断裂问题的分析及改进

张滨滨１，任竞男２，牛振华３

（１．中恒天汽车集团汽车技术有限公司，江苏　南京　２１１１００；２．上海理工大学管理学院，上海　

２０００９３；３．桂林理工大学机械与控制工程学院，广西　桂林　５１４００６）

摘要：针对某Ｖ８汽油机耐久试验过程中出现的排气门顶弯及断裂问题，对故障机进行拆解，对相关零部件

逐一分析排查。通过对关键零部件外观和尺寸的分析，以及对排气门温度场试验的分析，在反复多次的台架

试验中得出气门问题是因为气门导管与气门锁片及导管的材料硬度不匹配，导致气门杆与气门锁片和导管出

现异常磨损的现象，进而导致气门出现卡滞或脱落的情况；在发动机高速运转的工况下，气门与活塞相撞，

从而致使气门出现弯曲甚至断裂的情况。基于台架试验结果及相关分析，采取改善气门结构与导管等相关零件

材料的措施来解决气门问题。最终该方案通过台架耐久试验验证，解决了Ｖ８发动机气门顶弯及断裂问题。

关键词：气门断裂；８缸汽油机；改进

中图分类号：Ｕ４６４．１７１ 文献标识码：Ａ

收稿日期：２０２００９１１；修订日期：２０２０１１０２

作者简介：张滨滨（１９９３），男，山东枣庄人，助理工程师，本科，主要从事发动机的研发设计工作。０　引言

伴随汽车产业的不断升级发展，以及目前汽车市

场竞争愈演愈烈，对整个产业链各环节可靠性的要求

也水涨船高，产业链内部也更加在意产品可靠性与安

全性。发动机作为整车的大心脏，其质量将直接关系

到汽车的性能和使用寿命。为了了解产品本身的可靠

性，揭露产品的薄弱环节，验证产品是否符合设计要

求，进而确保产品具有良好的安全性和使用性，可靠性

试验成为产品开发过程中必不可少的环节。

在发动机的可靠性评定中，除发动机整体性能数

．生　产　琐　场。　土　严　悭　

柴油机连杆断裂失效分析　

摘要：为了找到柴油机连杆在汽车行驶过程中发生断裂的原因，采用化学分析、扫描电子显微　

镜分析、金相组织分析、硬度分析等方法进行分析。结果表明，连杆金相组织严重混晶和硬度偏低　

导致其在运行过程中使连杆小头内孔表面产生了咬伤沟槽和微裂纹，咬伤沟槽区在汽车运行中产生　较大的应力集中最终导致柴油机连杆早期疲劳断裂。本文对断裂的柴油机连杆进行了失效分析，找　到了连杆断裂的主要原因，从而为连杆的生产工艺改进提供了依据。　关键词：柴油机连杆　断裂　失效分析　

中图分类号：Ｕ４６４．１３３　．２　文献标识码：Ｂ　

一　河北钢铁集团石家庄钢铁有限责任公司开发部　李绍杰樊一丁　

某型柴油机装车运行约５００　ｋｍ后，发生了连杆　断裂致使发动机无法起动而导致车辆无法正常运行的　严重事故。该连杆材质为ＹＦ３５ＭｎＶ，其主要生产工　艺为：下料一车削一中频感应加热一锻造一冷却一精　压一回火一抛丸一机械加工。　

１失效模式分析　

图１为连杆在柴油机内断裂的宏观形貌，断裂　发生在连杆小头与杆身连接的过渡区。图２为连杆　小头断裂部位的断口宏观形貌，断口可分为疲劳源　区、扩展区和瞬断区。疲劳源区为小孔内侧表面，　疲劳源区断口平坦光滑，经过了反复张开与闭合的　磨损；扩展区断面较平坦，扩展方向与主应力相垂　直，存在明显的疲劳弧线。通过宏观断口分析可以　确定连杆断裂为疲劳断裂。图３为靠近断口位置小　头内孔宏观形貌，可见疲劳源对应位置小孔内表面　存在明显的沟槽擦伤。　

图１连杆在柴油机内断裂的宏观形貌　

图２连杆小头一侧的断口宏观形貌　

２０１　１年第７期　汽车工艺与材料ＡＴ＆Ｍ　ｌ

　３５