36MnVS4和46MnVS5连杆裂解性能差异性研究及质量缺陷分析

孔彦坤 邓伟 金国忠 雷基林 陈丽琼 贾德文

摘要：

针对高强度的36MnVS4和46MnVS5两种裂解连杆用非调质材料，开展了连杆裂解加工性能的对比分析，探究了影响连杆裂解质量的原因，并对连杆裂解加工的边界作出了优化，分析了连杆结构对裂解加工性能的影响。根据连杆实际裂解加工特性，设置了有限元模拟的边界条件。通过分析裂解槽根部的主应力和塑性应变的分布特征，获得了不同材料连杆的裂纹萌生位置；用ABAQUS和FRANC3D两个有限元软件模拟了连杆裂解的裂纹扩展过程，并进行了对比分析；优化了36MnVS4材料裂解加工的加载速度；分析了连杆结构对裂解性能的影响。研究结果表明：在相同边界条件下，46MnVS5材料裂解性能较好，裂纹萌生位置趋向于唯一，缺口敏感性低、断裂脆性较好、裂解速度较快，所需的裂解载荷更大；在25 mm/s的加载速度下，36MnVS4材料的裂解性能得到优化；理论断裂面面积较小的连杆结构裂解性能相对较好。

关键词：裂解性能；裂纹萌生；裂纹扩展；加载速度；理论断裂面

中图分类号：TK406

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.06.016

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research on Difference of Fracture Splitting Performance and Quality

Defect Analysis for 36MnVS4 and 46MnVS5 Connecting Rods

KONG Yankun1  DENG Wei1  JIN Guozhong2  LEI Jilin1  CHEN Liqiong3  JIA Dewen1

1.Yunnan Key Laboratory of Internal Combustion Engines，Kunming University of Science and

Technology，Kunming，650500

2. Maanshan Iron & Steel Co.，Ltd.，Maanshan，Anhui，243000

3.Kunming Yunnei Power Co.，Ltd.，Kunming，650200

Abstract： A comparative analysis was conducted on the fracture splitting processing performance of two types of high-strength connecting rods， 36MnVS4 and 46MnVS5， which were made from non-quenched and tempered materials. The reasons that affected the quality of connecting rod cracking were explored， and the boundaries for connecting rods cracking processing were optimized. The impacts of the connecting rod structures on the fracture-splitting processing performance were analyzed as well. The distribution characteristics of principal stresses and plastic strains at the roots of the cracking grooves were analyzed， and the crack initiation positions for connecting rods made of different materials were determined. The crack propagation processes of the connecting rods were simulated using the finite element software ABAQUS and FRANC3D， and a comparative analysis was conducted. The loading speed for the cracking processing of the 36MnVS4 materials was optimized. The impacts of the connecting rod structures on the cracking performance were analyzed.The results indicate that under the same boundary conditions， the cracking performance of 46MnVS5 material is better， with the tendency to have a unique crack initiation position， low notch sensitivity， good fracture brittleness， faster crack propagation speed， and higher required crack load. At a loading speed of 25 mm/s， the cracking performance of 36MnVS4 material improves. Connecting rod structures with smaller theoretical fracture surface area exhibit relatively better cracking performance.

Key words： fracture splitting performance； crack initiation； crack propagation； loading speed； theoretical fracture surface

收稿日期：20231021

基金项目：云南省科技厅重大科技专项（202202AC080006）

0  引言

随着汽车产业的发展，人们对发动机技术的要求也不断提高，发动机向着高功率、高可靠性、轻量化等方向发展［1］。连杆作为发动机的关键零部件之一，其材质对发动机的使用寿命有着重要影响［2］。20世纪末兴起于欧洲的连杆裂解（也称胀断）加工技术，以优于传统加工工艺的高效率、高精度、低成本等优势成为连杆加工的发展趋势［3-5］。运用此技术加工的连杆结构紧凑、装配精度高，提高了连杆的使用寿命［6-7］。目前，非调质钢裂解加工技术的应用较为成熟，钛合金等高强度材料的裂解加工技术也已有应用［8-10］。

36MnVS4和46MnVS5连杆裂解性能差异性研究及质量缺陷分析——孔彦坤  邓  伟  金国忠等

中国机械工程 第35卷 第6期 2024年6月

部分学者对裂解槽的加工进行了深入的研究。KOU等［11-13］、高岩［14］研究了脉冲激光加工C70S6连杆裂解槽根部的应力和相变硬化对脉冲激光加工裂解槽的影响;张冲等［15-16］、程焱［17］、张传友等［18］研究了脉冲功率等因素对连杆裂解槽几何尺寸的影响，并提出了优化方案。由于连杆的裂解过程瞬间发生过程复杂，难以通过实验捕捉断裂过程和获取数据，因此部分学者通过观察断裂面形貌和力学性能测定研究连杆的裂解性能［19］。

本文借助有限元数值模拟软件，从连杆裂解三维裂纹的萌生位置、扩展路径、裂解载荷、裂解时间、加载速度、连杆结构等多方面研究连杆的裂解性能，并通过对比分析36MnVS4和46MnVS5两种材料的裂解性能，得出两种材料各自的裂解特性。实验结果有利于提高连杆裂解加工的成品率，推动高强度材料的应用，降低生产技术成本，加快发动机技术的发展，为企业裂解加工提供参考。

1  材料性能

1.1  材料微观组织

本文研究的材料为36MnVS4和46MnVS5，两种材料主要成分如表1所示，其中36 MnVS4材料成分参考文献［20］。材料的金相组织如图1所示。由表1和图1可知，相较于36MnVS4，46MnVS5的V、Si含量虽然有所减少，但C含量有所增加，使得铁素体比例明显增大。珠光体的塑性、韧性较好，36MnVS4材料珠光体含量较多，导致了材料的断裂脆性较差，而46MnVS5则相对较好。另外，46MnVS5的Mn含量比36MnVS4

要高出许多，材料的晶粒得到明显细化，后续的切削加工性能得到改善，降低了刀具的磨损量，使用寿命也有所提高，但锰含量的增加也造成了材料的制造成本上升。

1.2  材料力学性能

从46MnVS5连杆杆身部位取样做拉伸试验获得材料的工程应力应变曲线，并经过公式计算得出材料的真实应力应变曲线。36MnVS4材料的真实应力-应变曲线参考文献［20］，如图2所示，材料的力学性能如表2所示。由图2和表2可知，46MnVS5塑性阶段的变形较为规律，随应力的增大基本呈直线上升。两种材料的弹性模量和泊松比相差不大，但46MnVS5材料强度高出36MnVS4许多，尤其是断裂强度，比36MnVS4高出200多MPa，除此之外，46MnVS5材料的韧性也相对较好，这使得它能够承受发动机更高的爆发压力，并且使用寿命也较长。在相同的爆发压力下，46MnVS5连杆轻量化的潜力也更高，只是46MnVS5的裂解加工性能好坏还有待进一步研究。

2  模型构建及断裂理论

2.1  有限元模型构建

模拟样件的毛坯如图3所示，其中大头孔直径为34 mm，大小头孔中心距为113 mm，螺栓孔直径为6 mm，小头孔直径为14 mm，厚度为22.4 mm，裂解槽尺寸如图中红圈所示，槽深为0.4 mm，曲率半径为0.15 mm，张角为50°，裂解槽实物如图4所示。由于连杆的几何形状和受力情况基于大小头中心线和厚度方向中面对称，并且杆身及连杆小头等区域对连杆裂解没有影响，因此忽略无影响区域构建连杆大头四分之一模型，如图5所示。

为了使有限元模拟结果更加准确，将有限元模拟的边界条件设置得与实验一致。连杆在裂解加工时，需将动块与连杆小头之间的部位固定，只允许动块与连杆盖之间部位可以移动，因此根据连杆裂解加工时的真实工况对定块施加完全固定约束，对动块施加x方向上10 mm/s的速度载荷，对连杆施加y方向和z方向的固定约束，允许连杆存在x方向上的自由度。

2.2  断裂理论分析

由材料的真实应力应变曲线可以得出，两种材料均属于弹塑性材料，但通过观察两种材料连杆经裂解加工后断裂面的形貌发现，断裂面并未发生明显的塑性变形，因此可以基本确定连杆裂解属于弹塑性材料在低应力下的Ⅰ型脆性断裂［21］。可将连杆的断裂过程简化为线弹性断裂。在线弹性断裂力学中有多种断裂准则，即与能量释放率相关的G准则、与应力强度因子相关的K准则、与裂纹尖端应力相关的最大应力准则等［22］。本文将采用ABAQUS XFEM和FRANC3D有限元软件模拟连杆的裂解加工过程，并且根据有限元软件的特性分别确定断裂准则。由于连杆裂解属于典型的Ⅰ型断裂，因此在ABAQUS XFEM中采用最大主应力准则准则作为断裂准则。当最大主应力达到材料的断裂应力时，材料将被视为断裂。FRANC3D则采用K准则作为断裂准则。

连杆裂解过程裂解槽根部的应力应变方程如下［23］：

σx=KI2πrcosθ2（1+sinθ2sin3θ2）+KI2πrρ2rcos3θ2

σy=KI2πrcosθ2（1－sinθ2sin3θ2）－KI2πrρ2rcos3θ2

τxy=KI2πrcosθ2sinθ2cos3θ2 －KI2πrρ2rcos3θ2

τxz=τyz=0

σz=ν（σx+σy）  平面应力

σz=0平面应变（1）

式中，ρ为裂解槽曲率半径；r、θ为裂解槽极坐标；σx、σy、σz、τxy、τxz、τyz为应力分量；KI为张开型应力强度因子。

3  裂纹萌生前仿真分析

本文将从裂解前的应力应变场、裂纹萌生位置和裂解完成后的裂纹扩展路径、裂解载荷、裂解速度、裂解所用时间等方面进行对比分析，探究两种材料连杆裂解性能的优劣及缺陷产生的原因。

3.1  应力应变场及裂纹萌生位置

图6为两种材料连杆起裂前的第一主应力云图，由图可知36MnVS4的应力集中程度明显高于46MnVS5的应力集中程度，但两者最大主应力值均出现在裂解槽根部，由于36MnVS4材料的断裂应力较小，且应力集中程度较高，因此在相同的载荷条件下，36MnVS4材料会率先萌生裂纹。

为了探究裂纹的萌生位置，提取裂解槽根部的主应力数据，如图7所示。46MnVS5主应力从中面到端面呈曲线下降，在靠近端面处下降速率较大，最大主应力出现在连杆中面处的裂解槽根。36MnVS4材料在裂解槽根部的主应力分布较为均匀，除端面处下降速率较大，其余位置主应力值基本相等。相较于36MnVS4，46MnVS5连杆裂纹萌生位置更趋向于唯一，连杆中面处的主应力值会率先到达断裂应力而产生裂纹。而36MnVS4材料裂纹萌生位置随机，并不稳定。

3.2  等效塑性应变

图8为两种材料的等效塑性应变分布图。由图8可知，两种连杆材料均在裂解槽根部产生了较大的塑性变形，在大头孔壁面上产生了小范围的塑性变形且变形量较小，但36MnVS4的塑性区域明显小于46MnVS5的塑性区域，这也进一步说明了36MnVS4的应力集中程度高。另外46MnVS5材料的最大等效塑性应变值出现在连杆中面处的裂解槽根，分布规律与主应力分布相似，而36MnVS4并未出现明显的塑性应变峰值点。

为了更加直观地表征裂解槽根部的塑性应变分布情况，提取了裂解槽根部的塑性应变数据（图9）。两种材料的塑性应变变化趋势情况均与主应力相似，差别在于36MnVS4塑性应变值较大，而46MnVS5相对较小，这主要是由于36MnVS4屈服强度较低，导致其过早地进入塑性区。

4  裂纹扩展仿真分析

4.1  裂纹扩展过程分析

为了确保仿真结果的正确性，分别通过ABAQUS XFEM和FRANC3D模拟了两种材料连杆在相同边界条件下的裂纹扩展过程，如图10和图11所示，可知两种材料在相同模型和边界条件下的裂纹扩展路径并不相同，其中46MnVS5连杆的裂纹扩展路径较为稳定，并未出现较大程度的裂纹弯折。反观36MnVS4连杆的裂解过程，在两个软件的仿真模拟中均表现出不同程度的裂纹弯折，裂纹扩展路径不稳定。并且裂纹弯折大都出现在端面和中面螺栓孔处。

通过FRANC3D软件模拟了两种材料在相同扩展步长下的裂纹扩展路径，如图12所示。由图12可知，当裂纹前缘将要到达螺栓孔时，两种材料连杆裂纹前缘均发生了严重的扭曲，其中36MnVS4的扭曲更为严重，如图12a中红圈所示。在相同扩展步长情况下，裂纹前缘在y方向上的距离远近不一，说明裂纹并未完全沿着y方向水平扩展，而是进行了x方向上的切向扩展，加剧了断裂面犬牙交错的程度。除去螺栓孔处，46MnVS5材料的扩展路径都较为规律。

4.2  裂解载荷及速度分析

图13为裂解载荷与加载时间关系图，图13b为图13a中虚线圈内的局部放大图。36MnVS4裂解起止时间分别为7.301 ms和8.008 ms，46MnVS5的起止时间分别为7.384 ms和7.809 ms，前者的起裂时间比后者早了0.083 ms，但后者裂解结束时间比前者早了0.2 ms，说明后者的裂解速度更快。36MnVS4和46MnVS5所需的裂解载荷分别为16 367 N和16 987 N，连杆加工生产企业在裂解设

备上测出的裂解载荷分别为15 986 N（36MnVS4）和16 197 N（46MnVS5），误差分别为2.3%和4.7%，均在5%允许误差内，基本可以验证有限元模拟的准确性。

4.3  36MnVS4裂纹扩展优化

在起裂的瞬间，惯性会导致裂解载荷瞬时的下降。起裂后，46MnVS5的裂解载荷仍呈为直线上升趋势，直至断裂，因此可以得出46MnVS5材料裂解脆性较好，裂纹扩展路径较为稳定的结论。反观36MnVS4的裂解载荷则呈波动上升状态，直至断裂，因此可以得出材料断裂脆性较差，裂纹的扩展路径较为扭曲，加剧了断裂面犬牙交错的可能性，裂解性能较差，容易产生质量缺陷。

根据以上所述，36MnVS4在加载速度v=10 mm/s的加载条件下裂解性能较差。为了探究裂解过程与加载速度之间的关系，以及寻找到36MnVS4裂解性能最佳的加载条件，以下将通过改变加载速度探究36MnVS4的裂纹扩展规律。以5 mm/s为一个梯度，设置速度分别为v=15 mm/s、v=20 mm/s、v=25 mm/s、v=30 mm/s。

不同加载速度下的裂纹扩展过程如图14所示。在v=25 mm/s的加载速度下，裂解性能相对较好，

裂纹并未产生较为明显的扭曲。在v=15 mm/s、v=20 mm/s、v=30 mm/s的加载速度下，裂纹均产生了不同程度的扭曲，其中v=15 mm/s时，裂纹扭曲较为严重，而在v=20mm/s、v=30mm/s时，裂纹则发生了轻微的扭曲。结合图15和表3可知，加载速度越大，载荷的增长速率越大、起裂时间越早、裂解结束时间越早、裂解所需时间越短、裂纹扩展速度越快。由于加载速度增大，导致36MnVS4所需的裂解载荷增大，其中加载速度为20 mm/s时所需的裂解载荷最大，达到18 256.7 N，而v=25 mm/s时所需的裂解载荷最小，为17 427.1 N，并且v=25 mm/s时的载荷增长速率最为稳定，基本呈直线上升，裂纹扩展路径最为稳定。

图16为连杆裂解加工后的断裂面图。46MnVS5连杆断裂面表现出较好的脆性断裂面（图16a），并未出现较为明显的裂纹弯折和塑性变形情况。36MnVS4连杆断裂面产生了明显的塑性变形（图16b），螺栓孔部位产生了台阶和掉渣现象，缺陷位置与仿真结果裂纹弯折位置基本一致。采用v=25 mm/s加载速度的连杆断裂面如图16c所示，断裂面虽然出现了塑性变形情况，但范围较小，并且其余断裂面相对较为平整，并未出现明显的质量缺陷。因此基本可以确定36MnVS4材料连杆在25 mm/s的加载速度下裂解性能相对较好。

连杆实际加工断裂面电镜扫描实验结果如图17所示，46MnVS5连杆断裂面表现为脆性解理断裂，没有出现明显的塑性变形。反观36MnVS4连杆断裂面出现了明显的塑性变形，导致了连杆在裂解过程中产生了裂纹的弯折现象，进而引发了掉渣和台阶等质量缺陷。

4.4  连杆结构对裂解性能的影响分析

为了探究结构对裂解性能的影响，针对市面上常见的三种连杆结构（圆形、矩形、楔形）进行了裂解过程的仿真对比分析，理论断裂面见图18。结合上述分析，36MnVS4材料圆形结构连杆在加载速度为25 mm/s的情况下裂解性能较好，因此将矩形、楔形连杆裂解加载速度也设置为25 mm/s。

由图19可知，在矩形连杆结构裂解过程中，裂纹出现了轻微的扭曲，而楔形连杆结构裂解过程则较为稳定，裂纹并未出现明显的扭曲情况，这也进一步说明了36MnVS4材料连杆裂解加工加载速度设为25 mm/s时裂解性能最好。表4列出了不同连杆结构的裂解数据，其中矩形结构连杆起裂时间最晚，并且裂解时间最长，所需的裂解载荷也最大，楔形连杆

起裂时间最早，裂解时间最短，所需的裂解载荷也最小。与此相同的是，矩形连杆理论断裂面面积最大，楔形连杆的理论断裂面面积最小，圆形连杆则居于二者之间。圆形与楔形连杆的理论断裂面面积增加了8.2%，裂解所用时间和裂解载荷分别增加了43.4%和3.4%，除裂解所用时间外，差异均较小。相对于矩形结构，圆形结构的理论断裂面面积减少了80%，裂解所用时间和裂解载荷分别减少了191.2%和42.4%。由此可见，理论断裂面面积增加将会导致裂解所用时间的大幅增加，加剧了裂纹扩展路径变化的可能，裂纹扭曲的可能性增大，也会导致裂解载荷的增大，从而所需的裂解设备的体积增大，所消耗的能源也会增加。因此可以认为理论断裂面面积较大的连杆结构会影响裂纹的扩展路径，从而影响裂解性能。在相同材料情况下，连杆理论断裂面面积越小所需裂解载荷越小，裂解所用时间越短，裂解性能越好。

5  结论

本文通过构建连杆三维有限元模型，运用ABAQUS 和FRANC3D有限元断裂分析软件模拟了连杆的裂解加工过程，从连杆裂解三维裂纹的萌生位置、扩展过程、扩展路径、裂解载荷、裂解时间等多方面对比分析了36MnVS4和46MnVS5两种材料的裂解加工性能，综合前面的分析结果得出以下结论：

（1）在相同的裂解参数条件下，两种材料连杆在裂解加工过程中，裂纹都萌生于裂解槽根部，但36MnVS4材料裂纹萌生位置不唯一，而46MnVS5裂纹萌生位置趋向于唯一，即连杆中面处。前者的应力集中程度较高，并且材料的力学性能较差，说明材料的缺口敏感性较高，因此在裂纹扩展过程中更容易出现裂纹分叉现象。

（2）虽然46MnVS5材料的韧性较好，但由于其较高的碳含量和晶粒细化程度，使得材料在断裂时更倾向于脆性断裂。对比了两个软件得出的模拟结果，46MnVS5的裂纹扩展过程都较为稳定，裂解性能较好，而36MnVS4裂纹在扩展时均产生了不同程度的裂纹弯折，裂解效果相对较差。

（3）裂解实验中，46MnVS5起裂时间比36MnVS4起裂时间晚了0.083 ms，但裂解结束时间却早了0.2 ms， 46MnVS5材料的裂解速度更快，并且从材料的裂解载荷的增长趋势和裂纹扩展路径也可以得出，36MnVS4连杆内部裂纹扭曲严重，裂纹扩展不规律，加剧了断裂面犬牙交错程度，更容易产生台阶、掉渣等质量缺陷。但46MnVS5材料强度较高，所需要的裂解载荷也更大。

（4）通过仿真分析得出，改变加载速度可以改善36MnVS4材料的裂解性能。其中36MnVS4材料连杆加载速度为25 mm/s时的裂解性能较好，裂纹扩展路径最为稳定。加载速度的增大会导致连杆裂解所需的载荷略有增加。通过连杆结构对裂解数据的分析可知，裂解所需时间、裂解载荷等均与理论断裂面面积成正比。圆形连杆理论断裂面面积相较于楔形连杆理论断裂面面积增大了8.2%，所需的裂解载荷和裂解所用时间分别增加了3.4%和43.4%；相较于矩形连杆，圆形连杆理论断裂面面积减少了80%，所需的裂解载荷和裂解所用时间分别缩短了42.4%和191.2%。矩形连杆的裂解效果与圆形和楔形连杆相比较差，因此裂解加工连杆在结构设计中应尽量选择理论断裂面面积较小的结构（圆形、楔形）。

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（编辑  王艳丽）

作者简介：

孔彦坤，男，1999年生，硕士研究生。研究方向为连杆的裂解加工性能。E-mail：1437954790@qq.com。

邓  伟（通信作者），男，1976年生，教授级高级工程师。研究方向为车辆动力结构设计与优化、车辆动力轻量化与可靠性、车辆动力关键零部件材料与制造工艺。E-mail：1323364897@qq.com。