摘 要:某汽車(chē)在累計(jì)行駛600km后其發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分 析、金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)試、斷口分析和CT檢測(cè)等方法對(duì)該氣門(mén)彈簧的斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表 明:氣門(mén)彈簧的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂,噴丸過(guò)程導(dǎo)致彈簧內(nèi)部產(chǎn)生凹坑缺陷,凹坑處的應(yīng)力集中程度 較大,在受循環(huán)往復(fù)作用力的條件下,彈簧表面形成微裂紋,并不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致彈簧發(fā)生斷裂。

關(guān)鍵詞:汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī);氣門(mén)彈簧;疲勞斷裂;凹坑;噴丸工藝

中圖分類號(hào):TB31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2023)03-0042-03

氣門(mén)彈簧作為控制氣門(mén)與氣門(mén)座緊密結(jié)合的關(guān) 鍵性發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零部件,對(duì)于整車(chē)在行駛過(guò)程中的 安全至關(guān)重要。氣門(mén)彈簧利用自身彈簧的張力來(lái)抵 消氣門(mén)關(guān)閉時(shí)的阻力,使氣門(mén)和氣門(mén)座能達(dá)到一個(gè) 緊密貼合的狀態(tài)。氣門(mén)彈簧出現(xiàn)斷裂等問(wèn)題時(shí),彈 簧自身張力瞬間失效,導(dǎo)致氣門(mén)失去支撐并掉入燃 燒室,將造成嚴(yán)重安全事故[1]。

氣門(mén)彈簧斷裂的主要原因有材料選擇不當(dāng)、工 藝設(shè)計(jì)問(wèn)題、相關(guān)件問(wèn)題等[2-5]。材料選擇不當(dāng)包括 材料本身存在缺陷(內(nèi)部空穴、位錯(cuò)、夾雜等),工藝 設(shè)計(jì)問(wèn)題主要包括材料在加工過(guò)程中產(chǎn)生的外部磨 損、應(yīng)力殘留以及產(chǎn)生共振等問(wèn)題,相關(guān)件問(wèn)題主要 包括設(shè)置的鎖夾槽位置過(guò)高或過(guò)低、凸輪升程過(guò)長(zhǎng) 或過(guò)短等[6-7]。

某汽車(chē)在累計(jì)行駛600km 后發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)異 常響動(dòng),對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)拆解后發(fā)現(xiàn)第二缸的第一個(gè)進(jìn) 氣門(mén)的氣門(mén)彈簧發(fā) 生 斷 裂,該 氣 門(mén) 彈 簧 材 料 為 VDSiCr鋼,硬度為560~620HV,工藝制備流程 為:卷簧→回火→磨 簧 → 探 傷 → 噴 丸 → 立 定 處 理→回火→清洗涂油→包裝。筆者采用宏觀觀 察、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)試、斷口分析 和計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)檢測(cè)等方法,研究了該氣 門(mén)彈簧的斷裂原因,并提出了改進(jìn)建議,以避免該 類問(wèn)題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

對(duì)斷裂氣門(mén)彈簧進(jìn)行宏觀觀察,結(jié)果如圖1所 示,可見(jiàn)該氣門(mén)彈簧的直徑為3.1mm,斷裂發(fā)生于 彈簧小頭第3,4圈交界處,斷口與彈簧的軸線夾角呈45°,斷口為銀白色,呈現(xiàn)金屬光澤,未被氧化或 腐蝕,未出現(xiàn)頸縮等明顯塑性變形行為。

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂氣門(mén)彈簧取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如 表1所示,可知?dú)忾T(mén)彈簧的化學(xué)成分符合技術(shù)要求。

1.3 金相檢驗(yàn)

在該氣門(mén)彈簧斷口附近截取試樣,經(jīng)鑲嵌、磨 制、拋光后,用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖2所 示,依據(jù)GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含 量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)其所含的非金 屬夾雜物進(jìn)行判定,結(jié)果為該氣門(mén)彈簧不含非金屬 夾雜物。

使用4%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸乙醇溶液對(duì)上述試 樣進(jìn)行腐蝕,并用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖3 所示,可見(jiàn)清晰的回火屈氏體組織,組織較為均勻, 未發(fā)現(xiàn)明顯的偏析或石墨化現(xiàn)象,在彈簧邊緣位置 也未發(fā)現(xiàn)明顯的脫碳層,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 硬度測(cè)試

在斷裂氣門(mén)彈簧上取樣(試樣1),同時(shí)在同批 次彈簧上取樣(試樣2~6),進(jìn)行維氏硬度測(cè)試,結(jié)果如表2所示,斷裂彈簧及同批次正常彈簧的硬度 范圍 為 600~620 HV,符 合 技 術(shù) 要 求 (570~ 620HV)。

1.5 斷口分析

用三維顯微鏡觀察氣門(mén)彈簧斷口的宏觀形貌, 結(jié)果如圖4所示,可見(jiàn)其斷口處明顯存在凹坑缺陷, 且尺寸較大;另外在該彈簧的其他部位又發(fā)現(xiàn)了同 樣的凹坑,初步判斷該凹坑為斷裂源。

對(duì)斷口表面進(jìn)行超聲處理,清除表面油污等臟 物,然后用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)其進(jìn)行觀察, 結(jié)果如圖5所示。由圖5可知:斷口表面有臺(tái)階狀 錯(cuò)層結(jié)構(gòu),在邊緣溝壑位置存在一處明顯的損傷缺 陷,并且在損傷缺陷周?chē)忻黠@的放射狀紋路,由邊 緣向中心區(qū)域和四周輻射,判斷該缺陷處為裂紋源; 放射棱線區(qū)域可見(jiàn)疲勞擴(kuò)展區(qū),擴(kuò)展區(qū)較為平坦,但 疲勞輝紋并不明顯,且擴(kuò)展區(qū)所占面積較小;斷口中 心部位以及其余周邊邊緣部位顏色發(fā)亮,可見(jiàn)韌窩 撕裂形貌,判斷其為瞬斷區(qū)。

1.6 CT檢測(cè)

對(duì)同批次彈簧進(jìn)行CT檢測(cè),結(jié)果如圖6所示。 由圖6可知:同批次彈簧內(nèi)部并未出現(xiàn)明顯的裂紋 或空穴,但彈簧內(nèi)部水平截面有微小的缺口,其深度 約為0.1mm。在同批次多個(gè)彈簧中都發(fā)現(xiàn)有類似 的凹坑,凹坑大多處于彈簧內(nèi)部,其形狀大多為圓 形,深度均大于0.1mm,推測(cè)凹坑的產(chǎn)生原因?yàn)閲?丸工藝中存在噴丸過(guò)度所致。

2 綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知,該斷裂氣門(mén)彈簧的 化學(xué)成分、顯微組織及硬度符合技術(shù)要求,可以排除因材料選擇不當(dāng)而引起彈簧斷裂的原因。斷裂彈簧 的宏觀形貌中未發(fā)現(xiàn)明顯的塑性斷裂特征,在彈簧 外圈表面也未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋或擦傷痕跡。斷裂氣 門(mén)彈簧缺口裂紋源處存在明顯缺陷,彈簧表面缺陷 處產(chǎn)生存在應(yīng)力集中,并產(chǎn)生微裂紋,氣門(mén)彈簧在使 用過(guò)程中不斷受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的作用,且彈簧表 面長(zhǎng)期承受扭切應(yīng)力,裂紋不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致氣門(mén) 彈簧發(fā)生斷裂。

由同批次彈簧的 CT檢測(cè)結(jié)果可知,彈簧內(nèi)表 面有小凹坑,凹坑大多為圓形。判定凹坑的產(chǎn)生與 噴丸工藝有關(guān),噴丸過(guò)程導(dǎo)致氣門(mén)彈簧內(nèi)圈表面產(chǎn) 生凹坑缺陷,使得彈簧出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,最終造成 氣門(mén)彈簧斷裂。

3 結(jié)論與建議

該氣門(mén)彈簧斷裂的原因?yàn)?噴丸工藝使氣門(mén)彈 簧表面存在缺陷,缺陷處極易產(chǎn)生應(yīng)力集中,在循環(huán) 應(yīng)力的作用下,裂紋萌生并擴(kuò)展,最終氣門(mén)彈簧發(fā)生 斷裂。

建議在彈簧出廠前增加質(zhì)檢工藝,并重點(diǎn)檢測(cè)彈簧內(nèi)圈等部位;要求原料供應(yīng)商增加材料的表面 硬度,提高彈簧在噴丸過(guò)程中的抗擊打能力;優(yōu)化噴 丸工藝,注意噴丸流量和時(shí)間的選擇,調(diào)整噴丸 角度。

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