铝硅合金活塞的机械疲劳可靠性对发动机使用寿命的影响

于彦良

摘要：本文针对铝硅合金活塞机械疲劳可靠性的重要性进行了分析，并对活塞机械疲劳可靠性对发动机使用寿命的影响提出了通过构建寿命预测模型进行相关研究的方法，旨在更有效地发现铝硅合金活塞的机械疲劳可靠性对发动机使用寿命影响的规律，并以此为研究方向进一步提高对铝硅合金活塞结构的设计优化，降低活塞的机械疲劳，从而使发动机的使用寿命得到更有效的延长。

Abstract： This paper analyzes the importance of the piston mechanical fatigue reliability of Al Si alloy， and puts forward the method of related research by constructing life prediction model aiming at the influence of the piston mechanical fatigue reliability on service life of the engine， so as to more effectively find the rule of effects of mechanical fatigue reliability of aluminum silicon alloy piston on engine life. And it takes this as the research direction to further improve the aluminum silicon alloy piston structure design optimization， reduce the piston mechanical fatigue， so as to more effectively extend the engine service life.

關键词：铝硅合金活塞；机械疲劳可靠性；发动机寿命

Key words： Al Si alloy piston；mechanical fatigue reliability；engine life

中图分类号：TK441 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）34-0118-030 引言

自一百多年前被发明至今，发动机在工业、农业、交通等各个领域都得到了广泛应用，为人类的发展起到了重要的推动作用。随着科学技术的快速发展，近年来发动机在设计、制造以及材质的优化方面都取得了较大的进步，但提高发动机的机械效率和使用寿命的相关研究从未停止。影响发动机寿命的重要因素常常出现在机械部件的疲劳破坏方面，这一类问题具有较强的隐蔽性和突发性，问题的发生常常没有明显征兆，但对发动机的负面影响却非常大。其中，尤其以发动机结构中的活塞结构的机械疲劳可靠性对于发动机的可靠性影响最大。目前，发动机活塞的制作材料主要以铝硅合金为主。近年来，发动机在日趋严竣的高温高压工作条件下工作的情况越来越多，而高温、高压、磨损腐蚀等恶劣的工作条件是对发动机可靠性最大的威胁。在这种工作环境中铝硅合金材质的活塞因其密度小、传热系数好的特质对于提高发动机寿命起到了得要的作用，因此长期以来一直是发动机活塞制造的首选材料。随着市场对发动机可靠性和使用寿命的严格要求，提高活塞的机械疲劳可靠性已成为得要研究课题。虽然硅铝合金活塞在承载能力方面已达到了其疲劳极限，但通过结构优化，依然可以在控制生产成本、提高发动机机械效率和使用寿命方面发挥巨大作用。

1 铝硅合金活塞的机械疲劳可靠性的重要性分析

作为发动机的首要动力源零件，活塞在整个发动机结构中起着将热能转化为机械能的重要作用。通过活塞的往复非匀速直线运动，可以将发动机燃烧系统中由高温燃气爆发的热能转换为机械能，再由连杆和曲轴转化为旋转运动，使发动机能正常输出功率。在发动机的损伤中，活塞的故障损伤率往往是最高的，这与活塞长期处于负荷过大且恶劣的工作环境有密切关系。高温、高压、磨损、腐蚀的工作环境使得活塞出现机械疲劳的机理显得非常复杂。金属原子产生位错、微观裂纹的萌生、工程裂纹的扩展，都会造成活塞的机械疲劳性破坏，出现断裂，从而影响到活塞的可靠性。而造成活塞裂纹出现的原因较多，铝硅合金的强度、几何形状结构、活塞表面的粗糙度、承受载荷性质以及内部组织的微观缺陷、工作环境中的腐蚀介质等，都会引发活塞的裂纹。这些因素涉及到的领域非常广泛，包括金属材料学、冶金学、物理、化学、力学等，因此，针对活塞可靠性对发动机使用寿命的影响虽然长期以来都受到了相关研究人员的重视，并投入了大量的人力、物力、精力，但依然存在许多急待解决的理论和实际问题。

2 铝硅合金活塞机械疲劳寿命预测模型

不同的情况对于发动机活塞形成的破坏差别很大，目前的能量准则在描述热和机械复杂载载荷下的工作过程方面还存在较大的欠缺。在针对铝硅合金活塞机械疲劳寿命预测方面，经较实用的还是应用、应变类的准则。应变类准则的适用性更广，而应力准则在高循环疲劳的预测上更有优势。

在采用应变类准则时，首先需要明确活塞在循环载荷下的弹性、塑性应变范围。在相关的预测模型中材料的软硬化问题可以忽略，通过直接采用材料的循环应力应变曲线，利用弹塑性有限元计算最大载荷下发动机活塞的弹性、塑性应变，再以材料本身的工作、变形特点，可以确立合理的假设，从而得到反映实际低循环载荷下的疲劳破坏应力应变曲线。基于这一理论建立发动机活塞的疲劳寿命计算模型，能够得到多种因素对发动机使用寿命的影响，包括平均应力应变、高频脉动载荷、高温蠕变等。该模型中，最基础的预估寿命的公式为：

Δεp=ΔεfN

公式中Δεp表示塑性应变范围。在高温工作环境下，塑性变形的情况并不稳定，在大于104的寿命范围内，弹性、塑性应变范围的数量级是相当的，可采用考虑弹性项影响的准则，得到公式：endprint

Δε=Δεe+Δεp=N+εfN

公式中，E代表材料弹性模量，Δε代表总应变范围，εf代表疲劳延性系数，c代表疲劳延性指数，σf代表疲劳强度系数，b代表疲劳强度指数。

结合29种金属材料在常温下的实验结果，利用通用斜率法得出b=-0.12，c=-0.6，σf=3.5σb，σf=ε。σf表示材料的断裂延性。

在载荷和应用对称的情况下，循环平均载荷为：

Fm=（Fmax+Fmin）/2=0

循环平均应力为：

σm=（σmax+σmin）/2=0

此时，可以采用公式Δε=Δεe+Δεp=进行零件寿命的预估。然而由于发动机活塞的工作环境的复杂性，活塞头部容易出现疲劳裂纹，影响到在循环载荷下活塞的应力应变迟滞回线的形状。利用弹塑性有限元计算只能得到零件的计算点温度T、工作条件下的压应力σ和弹性压应变e和塑性压应变p，因此无法获得精确的弹性、塑性应变范围，也无法对零件的寿命进行预估。想要获得活塞机械疲劳可靠性对发动机使用寿命影响的预估，就需要明确发动机工作、载荷的特殊性对包括塑性应变范围在内的特性参数的影响，这样才能应用于寿命预测公式中。

2.1 低频脉冲载荷下的寿命影响

发动机在启动-工作-停机的过程中采用的低频循环载荷是脉冲载荷，而在低负荷-高负荷-低负荷的低频循环载荷是单向载荷循环。

在忽略高温蠕变影响的情况下，脉冲载荷和单向载荷会对活塞零件产生低循环疲劳，假设所有的应变范围的值都大于零，那么平均应变则为εpm=εp+Δεp/2<0，其中p为通过计算得到的塑性应变。当然循环应力平均值不会为零，当材料随动硬化后，循环应力的平均值则为σm=（σ+σd）/2<0。对于脉冲及单向载荷，计算表明一般不会由于卸载在材料内部产生符号相反的残余应变，值为对称循环载荷作用下的循环塑性应变范围。已知Δεp和εp之间的半系为单调关系。零件在工作时的应变绝对值与卸载残余应变绝对值之间在小范围的应变集中区为前者远大于后者，尤其是在高温工作环境下，可将卸载后的最小殘余应变绝对值视为零，则材料的应力应变曲线呈现出服从以下公式的特点：

σ-σs=Kεpm

K在该公式中表示的是与温度有关的材料常数，m是指的是材料的硬化指数。假设εd=0，那么d点的应用值应以下以公式进行计算：

σd=（2σ-σ）+K（εp-）m

由此可以推导出拉压同性、随动强化材料的循环塑性应变范围：

2.2 高温蠕变对寿命的影响

高温蠕变导致的塑性变形不可恢复，且若不断增加应力、温度，高温蠕变产生的变形的大小呈现出幂指数的关系增长。在应力值比材料的屈服应力略大时，在脉冲及单向载荷中，卸载后的歼余应力不会出现低循环疲劳破坏。但当高温蠕变存在时，在高温和高应力的作用下，卸载后的歼余应力会出现低循环疲劳破坏。当零件所处的工作环境温度达到了一定高度，使第一次加载的应力小于材料屈服应力时，也会造成蠕变的稳定累积，形成稳定的应力应变回线，产生低循环疲劳破坏。在发动机中同时存在塑性和蠕变变形时，在高温蠕变的作用下，活塞头部会产生低频疲劳裂纹，并且伴随着高温应力松弛，这使得高温蠕变对零件寿命的影响呈现出复杂的规律性。

从应变结果的角度出发，蠕变与拉压塑性变形的区别并不大。根据最终的循环曲线与应力对称特环相近似的规律，可以认为每个循环的蠕变大小为：

其中表示应力，t表示时间，T则代表温度，其他的表示材料常数。

基于安德雷德蠕变，针对铝硅合金，指数n取1/3。由高温压缩蠕变的相关实验得到c。由于塑性变形的不足被蠕变弥补，所以上述公式中的塑性变形εp由εpc=εp+εc代替。

2.3 高频载荷对寿命的影响

除了以上说明的载荷外，发动机工作时还存在一种变化的高频热载荷及气体压力产生的机械负荷，由于这些高频载荷在一般情况下对寿命的影响较小，因此没有必要将高频载荷对发动机寿命的影响单独列出考虑。但温度的微小增加在高温及高应力条件下，会使蠕变的速度提高好几倍。因此，对于高频热载荷及机械负荷的考虑如果是基于低频载荷的情况，那么对发动机的寿命影响则是非常大的。在计算时，在低频温度值的基础上直接累加高频温度波幅，同时在低频应力分量的基础上叠加高频应力分量幅值，就可实现高频载对发动机的寿命影响的考虑。

通过以上分析，联合平均应力、塑性应变公式，可借助弹塑性有限元计算结果得到一组铝硅合金活塞机械疲劳可靠性对发动机使用寿命影响的相关公式：

2εe+Δεp=N+（εf-εpm）0.6NΔεp=εpc-σd/Eεpc=εp+εcεc=β0σc1etnσd=（2σ-σ）+K（εpc-）mσm=（σ+σd）/2εpm=εpc+Δεp/2

3 结论

根据以上分析结果，可以计算出铝硅合金活塞机械疲劳可靠性对发动机使用寿命的影响相关计算如果如表1～表3。

通过计算结果可知塑性应变范围小于塑性应变的绝对值和蠕变应变的绝对值，从而证实了铝硅合金活塞疲劳可靠性与发动机使用寿命之间的关系以及活塞疲劳可靠性对发动机使用寿命的影响。

参考文献：

[1]刘世英，田小青，潘风敏.发动机活塞销孔座机械疲劳机理的研究[J].汽车工程，2014（01）：57-60.

[2]庞圣桐.基于温度试验与热力耦合仿真对活塞结构的改进及疲劳寿命预测[D].西华大学，2016.

[3]胡成永.热机载荷对活塞应力与变形影响规律研究[D].北京理工大学，2015.endprint