发动机缸体断裂原因

2020-11-09朱玲斌邵百明薛喜才贾尚华

理化检验(物理分册) 2020年9期

朱玲斌,邵百明,薛喜才,贾尚华

(上海汽车集团股份有限公司乘用车分公司,上海 201804)

发动机缸体是汽车发动机中最重要的零部件之一，其将各个气缸和曲轴箱连成一体，是安装活塞、曲轴以及其他零件和附件的支撑骨架；同时还要保证活塞、连杆、曲轴等工作时的位置准确以及发动机的换气、冷却和润滑系统工作正常。而随着汽车轻量化发展[1]，对缸体的要求更趋向于薄壁和高强度。由于铝合金铸造工艺已经相对比较稳定，从工艺的角度来提高强度越来越难，因此缸体设计的合理性凸显重要。在开发过程中，通过分析缸体的失效问题找到相应的改进措施也就变得越来越重要[2-8]。

某发动机开发过程中，发动机需进行相关台架试验，在完成曲轴通风系统试验和润滑系统试验后，进行15 h的节气门结焦试验过程中发现缺体侧面漏油，油压降低导致报警，停机进行检查，拆解后发现缸体轴承座和对应的轴承瓦盖断裂。为找到缸体的断裂原因，笔者对轴承座和轴承瓦盖进行了检验与分析，并提出改进措施。

1 理化检验

1.1 宏观及低倍分析

送检的断裂发动机缸体如图1所示。断裂的零件都位于发动机后端，如图1a)所示，其中缸体第4主轴承座断裂，裂纹一侧位于退刀槽区域，轴承瓦盖的断裂位置在轴承座断裂位置的斜对角，如图1b)所示。第1～3轴承座及其对应的轴承瓦盖都未见明显异常。失效区域螺栓拧紧痕迹正常，无松动现象，如图1c)所示。据了解，拆解时8组轴承瓦盖螺栓的扭矩值(包括断裂轴承座)全部都在正常范围内。

采用VHX-2000E型体视显微镜对缸体轴承座的断口进行低倍分析，形貌如图2所示。可见有明显的自下而上的断裂扩展纹路，底侧局部区域磨损严重，其放大后有清晰可见的疲劳海滩纹特征，从海滩纹的汇聚方向来看，疲劳应该起源于退刀槽的中部区域，同时在疲劳源附近，有疑似孔洞存在。

图1 送检的断裂发动机缸体宏观形貌Fig.1 Macro morphology of fractured engine cylinder block submitted for inspection:a) overall morphology of cylinder block; b) morphology of fracture position; c) bolt assembly trace of fracture position

图2 轴承座断口低倍形貌Fig.2 Morphology of bearing seat fracture at low magnification:a) overall morphology of fracture; b) enlarged morphology of fatigue source region

图3为断裂轴承瓦盖断口的低倍形貌，断口上有隐约可见的从右下至左上的断裂扩展纹路，且断裂起始一侧位于轴承瓦盖与曲轴接触的区域。

图3 轴承瓦盖断口低倍形貌Fig.3 Morphology of bearing cover fracture at low magnification

1.2 微观分析

采用EVO MA25型扫描电镜(SEM)分别对轴承座和轴承瓦盖的断口进行观察，如图4和图5所示。

轴承座起始断裂区存在铸造缩孔，如图4a)～b)所示；除磨损区域外，断口形貌特征为细小的疲劳辉纹，如图4c)～d)所示。从疲劳辉纹的扩展方向来看，疲劳裂纹起源于退刀槽边缘而非缺陷所在区域，而且疲劳起源点未完全汇集到缩孔所在的区域，说明缺陷不是导致轴承座疲劳断裂的主要原因。

对轴承瓦盖断口进行观察，观察位置如图5a)所示。整个断裂轴承瓦盖的断口形貌特征全部为疲劳辉纹，如图5b)～e)所示；疲劳扩展方向如图5a)中箭头所示。对模拟过载断裂的轴承瓦盖断口进行观察，可见断口为韧窝形貌，如图5f)所示。送检断裂轴承瓦盖断口的疲劳起始区域未见明显异常，且断口形貌特征明显不同于模拟过载断裂瓦盖材料的。

图4 轴承座断口SEM形貌Fig.4 SEM morphology of fracture on bearing seat:a) morphology of fatigue source region 1; b) morphology of fatigue source region 2;c) enlarged morphology of position 1; d) enlarged morphology of position 2

图5 轴承瓦盖断口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fracture on bearing cover:a) observation positions of fracture; b) morphology of position 1; c) morphology of position 2;d) morphology of position 3; e) morphology of position 4; f) morphology of the simulation of overload fracture of bearing cover

1.3 金相检验

在断裂缸体轴承座的疲劳起源区取金相试样，观察其显微组织形貌，如图6a)所示，可见其显微组织为白色块状奥氏体相+细小致密的共晶Si相+少量初生Si相。根据企业技术文件的要求测量疲劳起源区的孔隙率，结果为0.43%，最大单孔直径为0.4 mm，如图6c)所示，符合设计图纸的技术要求。

沿着图5a)虚线位置对轴承瓦盖取样，并进行观察，如图6b)所示，可见其显微组织主要为珠光体，此外还有部分孔隙，显微组织基本正常。

图6 断裂轴承座及瓦盖的显微组织形貌Fig.6 Microstructure morphology of fractured bearing seat and bearing cover:a) morphology of bearing seat; b) morphology of bearing cover;c) morphology of bearing seat porosity

1.4 化学成分分析

图纸规定缸体材料为AlSi9Cu3铝合金，用Bruker Q4 TASMAN型直读光谱仪对缸体的化学成分进行分析，结果如表1所示。可知缸体材料的化学成分满足DIN EN 1706：2010AluminiumandAluminiumAlloysCastingsChemicalCompositionandMechanicalProperties的要求。

1.5 力学性能测试

采用UH930型多功能硬度计对断裂缸体的轴承座进行硬度测试，结果为88 HB，符合产品图纸的硬度要求。

表1 缸体的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of cylinder block (mass fraction) %

采用RB2000型洛氏硬度计对断裂的轴承瓦盖进行硬度测试，结果为65 HRB，符合产品图纸的硬度要求。同时使用Sartorius cpa224S型密度天平对轴承瓦盖断裂失效区域进行密度测试，结果为6.71 g·cm-3，同样符合产品图纸的要求。

2 分析与讨论

2.1 断裂原因分析

从上述断裂缸体轴承座和轴承瓦盖的理化检验结果来看，材料的显微组织、化学成分和力学性能都符合设计图纸的要求，同时轴承座疲劳起源区虽然存在铸造缩孔，但根据孔洞大小、孔隙率及疲劳起源点的分析结果，判断其不是引起失效的主要原因[9]。因此本次失效与材料关系不大。

为进一步分析发动机缸体的断裂原因，分别对缸体和轴承瓦盖进行CAE(计算机辅助工程)模拟分析[10]。CAE结果如图7所示，可知轴承座断裂起源区处于应力较大区域，安全系数约为0.73，说明该设计的结构强度偏低，而轴承瓦盖断裂起始位置并非应力较大的位置，断裂起源点的安全系数约为1.58，不存在强度不足的情况。因此判断首先由于第4轴承座设计强度不足导致在试验中发生疲劳开裂，开裂后断口斜对侧的轴承瓦盖受力发生变化，也相继出现疲劳开裂，在应力作用下最终断裂失效。