排气系统缠绕式金属软管断裂原因分析

颜 婧，冯继军，张鑫明，卢柳林，刘 胜，高 勇

(东风商用车有限公司技术中心 工艺研究所，武汉 430056)

排气系统缠绕式金属软管断裂原因分析

颜 婧，冯继军，张鑫明，卢柳林，刘 胜，高 勇

(东风商用车有限公司技术中心 工艺研究所，武汉 430056)

卡车发动机排气系统中的缠绕式金属软管在行驶过程中发生断裂及卡死现象。通过宏观分析、断口观察、金相分析、能谱分析及硬度检测等手段，对金属软管断裂的原因进行分析：粘着磨损和磨粒磨损导致金属软管的截面厚度逐渐变薄，截面变薄后零件抗疲劳性能下降，最终发生疲劳断裂。发生卡死的原因是车辆在行驶过程中，由车轮激起的泥沙或其他异物逐渐进入金属软管空隙，在金属软管间隙内淤积，而卡死也加速了金属软管的断裂。针对失效原因，提出了防止金属软管发生卡死和断裂的方法。

排气系统；缠绕式金属软管；磨损；断裂；卡死

0 引言

汽车发动机排气管与消声器之间由于发动机的三维相对运动的关系，一般采用软连接以避免振动过大而造成其他硬部件损害。这种软连接有3种：活性节、波纹管和金属软管。其中由于金属软管先进的设计理念，减振、补偿和保护兼备的功能，目前已取代前两种软连接，并广泛应用在各国卡车的排气系统中[1-4]。它对排气系统的贡献主要有[1]：1)柔性连接，能够有效平衡连接轴之间的轴向、侧向和横向的位移；2)衰减发动机传递给排气管的振动和噪声；3)具有一定的结构强度，可以部分承载排气系统的悬挂；4)其特定的结构使其具有弹性，在最短的连接长度上实现了最大的运动补偿和膨胀补偿。金属软管有3种结构，威斯法利ASS型、SSS型以及DSS型。ASS型金属软管是一种双层内扣式结构，它的伸缩和柔性弯曲是通过2个“S”型的锁扣之间的相互滑动完成的。SSS型和DSS则是在ASS型的基础上作了改进，比ASS型多了更多层的钢带[3]。

金属软管必须正确安装，其安装长度应在最大拉伸与压缩长度的中间位置。若安装不当，金属软管容易在不正常部位，即端部发生断裂[5-6]。金属软管起减振作用的部分为近发动机端，约占整个软管长度的1/3，其他长度区域则属于补偿安装公差段[6]。在使用过程中，由于其结构的特殊性，内扣接触面有摩擦，且间隙内容易积聚淤泥。久而久之会发生断裂或被卡死，失去柔性伸缩的能力，不能有效吸收发动机传来的振动，就会导致其他部件损坏，甚至波及消声器[7]。因此，很有必要分析金属软管的失效机理。

本研究所分析的金属软管为ASS型结构，如图1所示。在使用过程中发生了断裂，其余部分位置则卡死不能伸缩。故障时行驶里程为3万多km(标准要求是保证10万km内不失效)，其使用寿命远远低于预期。经市场返回的统计数据，同类型的金属软管发生较大比例断裂，其断裂的里程基本都集中在4万km以下。本研究对失效的金属软管进行宏观分析、断口分析、金相分析、能谱分析等，找到金属软管发生断裂和卡死失效的原因，并提出改进建议。

图1 金属软管宏观及纵向剖视图Fig.1 Macrograph and longitudinal section of flexible metal pipe

1 试验过程与结果

1.1 宏观分析

金属软管的宏观形貌如图2a所示，表面布满泥土，呈土黄色，内表面则有黑色的积碳。断裂位置在靠近发动机一端约2～4扣处，断裂处的细节如图2b所示，在外侧表面可以看到残留的断口。将断裂处拉开后如图2c所示。将断裂部分切下后，打开缠绕的S型钢带，可见有2个方向的裂纹，一是在折弯处的呈周向的裂纹(图2d)，另一处是呈轴向(或纵向，图2e)的裂纹，两个方向裂纹交汇时，最终导致了排气管断裂。周向的裂纹相对来说较平直，纵向的裂纹有的平直有的则比较曲折，断裂处截面非常的薄。

1.2 断口宏、微观观察

将金属软管的周向和纵向断口都放置在扫描电镜内观察，其周向断口的截面均非常薄，约0.02 mm，有的已被磨损，局部保存完好区域的断口微观如图3a、图3b所示，起源为线源，断口的特征为疲劳，源区未见异常；图3c、图3d所示为纵向断口的低倍形貌，从内侧表面起源，线源，断口微观特征如图3d所示，为疲劳特征。纵向断口截面厚度约0.4 mm。

图2 金属软管断裂位置及断口形貌Fig.2 Macrograph of fracture

观察断口侧面，其磨损形貌如图4所示。磨损形态为粘着磨损+磨粒磨损。磨粒的成分经能谱分析，主要含有O、Si、Al、Ca、Mg等(图5)。

1.3 金相分析

图6为纵向截面的金相宏观图，取样位置分别在断口附近和远离断口处(图2a箭头所指)，测量其截面的厚度，结果见表1。可知，断裂处的截面均不同程度的变薄，最薄处的截面厚度仅仅0.02 mm，而其他远离断口处的截面厚度也并不均匀，厚度为0.3～0.6 mm。

图3 周向和纵向断口宏、微观形貌Fig.3 SEM morphology of circumferential and longitudinal fracture

图4 表面磨损形貌Fig.4 SEM surface abrasion morphology

图6 金属软管的金相组织形貌 Fig.6 Metallographic morphology of flexible metallic pipe

图6a所示为断裂位置附近的金相截面宏观图，可见不同区域的截面厚度不一样，在折弯处的厚度明显变薄，非折弯处截面也有变薄现象。图6b所示为远离断口区的金相截面，可见折弯处呈弧线的表面被磨平，非折弯处也被磨损。图6c、图6d所示为图6a中A区域放大后的形貌，可见断裂处截面变得非常薄，但其断口平整，并无变形痕迹；图6e为金属软管相互接触的两钢带的金相组织形貌，可见其磨损表面有凹凸不平的痕迹。且晶粒内部有较多的孪晶变形带，其中平行呈带状的区域可能为ε马氏体，而2个带状交叉的区域可能为α’马氏体区[8]。

1.4 化学分析

对金属软管进行化学成分检测，结果如表2所示。其中Cr、Ni含量刚好在304不锈钢的成分要求的下限。

表2 金属软管化学成分检测结果 (质量分数 /%)Table 2 Chemical composition of flexible metallic pipe (mass fraction /%)

1.5 硬度检测

对金属软管的金相截面进行显微硬度测试，结果如表3所示。在折弯处由于原材料加工硬化的影响，其硬度比非折弯处高。

表3 金属软管金相截面硬度测试结果Table 3 Hardness of flexible metallic pipe

2 分析与讨论

金属软管的裂纹有两个方向，一是沿着S型折弯处的周向裂纹，从表面起源，为线源，沿着软管的截面厚度方向扩展；另一个是呈纵向(或轴向)的裂纹，也是从表面起源，为线源，沿着截面厚度方向扩展；当两个方向的裂纹交汇后，最终导致了金属软管的断裂。通过对周向折弯处的断口以及纵向断口做微观分析发现，断裂源均为线源，源区无明显材料缺陷，断口扩展区的特征均为疲劳特征。另外，其断口截面均存在不同程度的减薄，观察到的断裂截面最薄处仅仅为0.02 mm(其他未磨损区域的截面厚度则约为0.6 mm)；断口截面虽变薄，但断口附近并无变形痕迹，说明其截面的变薄并非因塑性拉伸引起。

而断口附近的钢带表面存在明显的磨损痕迹，其磨损特征为粘着磨损+磨粒磨损。据文献[9-11]报道，304不锈钢如与摩擦副发生摩擦，也主要以粘着磨损机制为主，且随着表面摩擦的进行，表层组织会发生马氏体转变。在载荷和摩擦剪切应力的作用下，由于表层晶粒细化、以及高密度位错的综合作用使得304不锈钢的显微硬度增大；因此，在本案例中，金属软管断口附近的显微硬度比基体稍高，但其显微硬度的提高并不能提升其疲劳性能，第一是软管截面本身较薄，并且随着磨损的消耗，截面变得更薄，其疲劳性能随着下降。另外，表层诱发马氏体的增加对SUS304奥氏体不锈钢的磨损无明显影响[12-13]。因此可以这样说，虽然在摩擦的过程中，304不锈钢表面出现了马氏体，显微硬度也升高，但这不能阻止不锈钢薄板表面的材料损耗以及疲劳强度的下降。

在本研究中，除了粘着磨损，其表面还有磨粒磨损的痕迹，这些磨粒成分主要是Si、O之类，是外界带入的尘土或泥沙颗粒混入了金属软管间隙，磨粒加剧了不锈钢带的磨损。泥沙渗入除了加剧磨损之外，更造成了金属软管不能再自由伸缩，即发生卡死现象。而金属软管部分区域卡死，也造成了其他区域的受力异常，更加速了此区域的断裂的发生。

另外，本研究金属软管的断裂位置在接头附近(靠近发动机一端)的约第2～4扣处，而这个位置正处于振幅最大，振动最为频繁的区域内[6]；因此，其断裂的主要原因主要是振动和磨损造成的疲劳断裂。

金属软管的结构是由双层304不锈钢薄带缠绕内扣而成，属于ASS结构，其钢带之间存在一定间隙，在振动过程中，相互接触的钢带摩擦磨损不可避免；且车辆属于工程车，工作环境十分恶劣，行驶过程中泥浆、水、尘土等会逐渐带入金属软管的间隙处，成为摩擦副之间的磨粒，加剧磨损。当进入钢带间隙的泥沙等异物逐渐增多，最终会导致金属软管卡死。因此，防止金属软管发生类似失效的方法是：第一，采用威斯法利DSS型软管，该软管特殊的结构可以防止泥沙渗入内部[2]；第二，适当加厚钢带的截面厚度，提高疲劳性能；第三，不要将软管安装在车轮附近。

3 结论与建议

1)金属软管为疲劳断裂，其断裂的主要原因是在振动情况下，钢带表面发生粘着磨损加磨粒磨损，磨损导致截面变薄后疲劳强度下降，而最终发生疲劳断裂；外界泥沙等异物渗入金属软管间隙导致其发生卡死现象，这也是导致其断裂的次要原因。

2)改进建议：采用威斯法利DSS型软管；适当增加钢带的厚度；不要将软管安装在车轮附近。

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[3] 吴修义. 排气金属软管的性能优势及其在商用汽车上的应用[J]. 汽车与配件,2007(39):40-41.

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Fracture Analysis of Spiral Flexible Metal Pipe in Exhaust System

YAN Jing，FENG Ji-jun，ZHANG Xin-ming，LU Liu-lin，LIU Sheng，GAO Yong

(MaterialandTechnologyResearchInstitute,TechnicalCenterofDongfengCommercialVehicleCo.,Ltd.,Wuhan430056,China)

A spiral flexible metal pipe in the exhaust system of a truck fractured and locked during service. Macro observation, fracture analysis, metallographic analysis， energy spectrum analysis and hardness testing were carried out to find out the failure cause. It is found that adhesive wear and abrasive wear gradually made the section of the pipe thin, resulting in the decrease of the fatigue performance of the pipe and the final fatigue fracture. While the truck was running, soil and other foreign matters splashed up by the tyres gradually went into the clearance of the flexible pipe and deposited in the clearance, which finally resulted in the locking of the pipe. The locking accelerated the fatigue fracture of the pipe. Based on the failure cause, some methods were proposed to prevent locking and fracture.

exhaust system; spiral flexible metal pipe; wear; fracture; locking

2016年12月3日

2017年1月20日

颜婧(1983年-)，女，硕士，工程师，主要从事汽车零部件的失效分析和理化检验工作。

TG115

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.01.009

1673-6214(2017)01-0043-06