曲轴疲劳裂纹扩展规律测试及形成机理分析.docx

1、曲轴疲劳裂纹扩展规律测试及形成机理分析第44卷第1期 2008年1月机 械 工 程 学 报CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol. 44 No.1 Jan. 2008曲轴疲劳裂纹扩展规律测试及形成机理分析周 迅 俞小莉(浙江大学机械与能源工程学院 杭州 310027摘要：应用扫频法对柴油机曲轴疲劳裂纹的扩展规律进行实测。该方法以谐振式疲劳试验机为平台，根据试验过程中曲轴裂纹扩展之后谐振系统共振频率下降这一现象，通过系统的扫频试验来动态跟踪裂纹扩展的参照信息。在试样发生断裂之后，再根据断口形貌对裂纹的形态和尺寸进行实测，辅助以谐振系统的有限元模

2、态分析来对裂纹尺寸的确切值进行反推，实现裂纹尺寸的动态测量。试验结果综合反映了零部件的各种结构几何参数、加工精度、强化处理工艺等因素对裂纹扩展行为的影响。通过对4个试样进行测试，发现曲轴的裂纹扩展速率在Paris 区呈现三分段规律。根据试件断口形貌的特征，对这种规律性的机理进行推论，认为这种规律是由于在曲轴圆角表层残余应力的影响下，其裂纹前沿的应力比在裂纹扩展过程中发生突变造成的。 关键词：内燃机曲轴 扫频法 裂纹扩展速率 残余应力 中图分类号：TK427Fatigue Crack Growth Regular Tests for Engine Crankshaft and Analysis

3、on the MechanismZHOU Xun YU Xiaoli(College of Mechanical and Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027Abstract ：The crack propagation characteristics of a kind of diesel crankshaft are studied by measuring the crack growth rate using the frequency sweep method. This method is based on

4、 resonant fatigue test rig. According to the regularity that the resonance frequency will drop as the crankshafts crack growth, the method tracks the crack sizes growth rate dynamically by scanning the spectra of the resonant system. After the crankshaft is broken and actual shape and size of the cr

5、ack are available, finite element modal analyses are conducted to accurately calculate the crack size at various test-cycle time point. The frequency sweep method is a more capable method than normal methods. It can be directly applied to a component even with complex structure and has been treated

6、by all kinds of technology processing. As a corresponding result, the crack growth rate curve plotted herein would synthetically reflect many influence factors on the crack propagation behavior, such as geometric parameters, precision of machine tooling and reinforcing treatments, etc. 4 crankshaft

7、specimens are tested and the result shows that a 3-section feature exists in the Paris region of the curve. According to the specimens fracture surface profile, it is concluded that the features formation is chiefly due to the stress ratios sudden change during crack propagating, which is caused by

8、surface residual stress of the .Key words：Engine crankshaft Frequency sweep method Crack growth rate Residual stress0 前言为了能以定量方式确切地刻画机械构件的疲劳失效行为，近几十年来，人们在疲劳研究中开始使用断裂力学方法。其中一个主要的研究内容是对于裂纹的扩展规律，特别是不同条件下的裂纹扩展速率的试验测定与机理分析1-5。将断裂力学方法应用于疲劳可靠性研究时，其目标是建立一种方法，可以利用适当的载荷参量来描述裂纹扩展的速率。其中，人们所关心的几个主要问题20070306收到初稿

9、，20070822收到修改稿有以下几类：疲劳裂纹的萌生机理。裂纹萌生之后在什么样的范围内扩展不致于引发疲劳失效，也就是疲劳裂纹的临界尺寸的确定。裂纹在临界尺寸范围内扩展的行为特性，如裂纹扩展的方式、速率等。各种参数，如几何尺寸、残余应力等对裂纹的萌生以及临界(安全 尺寸范围内扩展行为的影响机理等。针对第类问题，人们通过大量的材料疲劳试验，不同程度地获得了一些结论或经验。而对于第类问题，人们也开展了一些研究，分析了应力比3、残余应力4-5等因素对裂纹扩展行为的影响。综观现有的裂纹扩展试验研究，大多数是应用于材料试样或简单构件的，对于具有复杂结构和多种特定处理工艺的零部件，如曲轴，相应的试验数20

10、08年1月 周 迅等：曲轴疲劳裂纹扩展规律测试及形成机理分析239据和研究结论还比较缺乏，主要原因是缺乏有效的综合试验手段。本文应用一种新型的裂纹扩展试验方法扫频法，对曲轴的裂纹扩展速率进行了测试。并根据试验结果，分析了其裂纹扩展规律和这种规律的形成机理。1 用扫频法测试材料疲劳裂纹扩展原理扫频法应用于谐振式弯曲疲劳试验机，是一种基于力学刚度原理的机械零部件疲劳裂纹扩展测试方法。它在原有疲劳试验过程中加入扫频试验环节。并根据实测裂纹位置与形态预制含裂纹CAD 模型进行模态分析与应力强度因子的计算，完成裂纹扩展速率的测试。试验流程如图1所示。 图1 扫频法曲轴裂纹扩展速率测定流程通过每隔一定循环

11、次数的扫频试验，可以获取在受迫振动条件下试验系统的振动响应随试件裂纹扩展的变化情况。结合对试验台谐振系统的模型分析建立的数据拟合方法，对扫频试验结果进行处理得到试验系统的共振频率p 随循环加载次数N 之间的关系，即p N 曲线。在疲劳试验完成，试件断裂之后，通过断口形貌的观察和CAD 模型裂纹预制，对谐振系统进行有限元分析，可以得到系统的共振频率p 和试件裂纹尺寸a 之间的关系，也即a p 曲线；结合p N 曲线和a p 曲线，即可获得试件裂纹的动态扩展规律，即a N 曲线。然后根据国标6推荐的七点递增二次多项式法，拟合得到d a /dN N 曲线，最后将计算所得到的各个裂纹尺寸a 对应的裂纹

12、前沿应力强度因子变程K 与以上数据对应起来绘制于双对数坐标，得到d a /dN K 曲线。扫频法突破了常规裂纹扩展试验方法的限制，它可以对具有特定结构和处理工艺的零部件直接进行测试，因而试验结果可以较全面地反映零部件的各种结构几何参数、加工精度和强化处理工艺等因素对裂纹扩展行为的影响。2 曲轴疲劳裂纹扩展试验方法及试验参数2.1 试验平台本文对曲轴疲劳裂纹扩展的试验实例使用卧置式谐振疲劳试验台。试验载荷的偏差小于2%，转速波动小于0.3%，试验载荷的波动率小于0.5%。 2.2 试样对象试验对象为某六缸增压柴油机曲轴。随机抽样2根曲轴，取其2、5拐作为试验样本，编为14号。试件材料42CrMo

13、 ，锻造毛坯，机加工成形，主要工艺措施包括热处理表面氮化，圆角滚压处理等。其材料的主要力学参数以及试件的主要几何参数如下表所示。表1 试验样本曲轴的基本参数参数数值 抗拉强度b /MPa 880 弹性模量E /GPa 208 泊松比0.28 主轴颈直径D 1/mm 100 曲柄销直径D 2/mm 82 曲柄臂厚度/mm272.3 载荷条件试验在恒幅对称循环载荷条件下完成。对各试样采用统一载荷幅值。在额定功率下，该曲轴的名义工作弯矩约为2 540 Nm ，试验中采用1.7倍的强化系数，即试验弯矩幅值14 318 Nm M =试验中使曲轴在弯曲循环载荷条件下运行，平均间隔104次进行一次扫频试验。

14、至接近断裂时，将其从试验台上卸下，通过敲击使之断裂暴露出裂纹面，以便观察、测量裂纹扩展的轨迹。 3 曲轴疲劳裂纹扩展实测结果 曲轴的裂纹一般产生于连杆轴颈或主轴颈与曲臂之间的过渡圆角处，并沿与曲拐约45夹角扩展。裂纹形态则多为半椭圆形，图2为1号试件曲轴断口的表面形貌，贝壳状条纹为疲劳辉纹，从小圈到机 械 工 程 学 报 第44卷第1期240大圈顺次记录了疲劳裂纹前沿扩展的历程。裂纹的真实形态及尺寸的确切值可以在断口形貌上直接观测，其特征尺寸表示为图3的形式。 静态扩展特征图2 1号曲轴的断口形貌 图3 曲轴裂纹的几何描述对半椭圆表面三维裂纹，以a 表示裂纹深度，以b 表示其宽度，如图3所示，

15、实际裂纹形态即为同心椭圆族与曲轴体重合的部分(阴影部分 。应用测量显微镜对断口形貌进行了测量，以裂纹深度a 为参照，通过对CAD 模型预制裂纹进行模态分析得a p 曲线，并与扫频试验数据N p 曲线对应，可得到如图4所示的a N 曲线。 图4 随循环次数增加裂纹深度扩展曲线利用预制裂纹的CAD 模型，可应用15节点1/4奇异元对裂纹前沿的奇异性应力场进行模拟计算，并进而应用1/4点位移法计算得到各尺寸下的应力强度因子K 7，由于试验载荷为单纯的弯曲应力，故试验条件下试件的裂纹为张开型裂纹，则有K = K I式中，K I 为张开型裂纹的应力强度因子。在对称循环载荷下应力强度因子变程为I I 2K

16、 K =综合以上数据，在双对数坐标中绘制裂纹扩展速率曲线，如图5所示。图5 裂纹扩展速率曲线4 裂纹扩展速率曲线的拟合大量材料试验数据显示，典型的裂纹扩展速率曲线可分为裂纹萌生和初期发展的近门槛区(A 、稳态发展的中间区(B 以及对应裂纹快速发展的临界区(C 。对大多延性材料来说，依据近门槛值K 0的疲劳设计都是过于保守的，也往往与零部件本身的功能性要求发生冲突而很难实现。多数情况下，对中间裂纹扩展期裂纹扩展规律往往成为疲劳可靠性设计的主要参考依据，因而在工程应用领域中，中间区研究一直是受关注较多的课题。在该区，裂纹扩展曲线可以表示为如下形式(d lg lg lg d a C m K N =+

17、式中 C , m 和材料相关的常数通常称上式为Paris 公式。虽然它只是一个经验公式，但迄今为止的试验数据表明，在分析多种材料及多种试验条件下的疲劳裂纹扩展中，它仍然是最适用的表达式。这种方法目前已经被广泛用来描述在裂纹顶端存在小范围塑性变形条件下的疲劳裂纹扩展问题。观察图5的曲线，大轮廓呈现三个不同的扩展区段，用单一线段对中间数据较为集中的区域进行拟合，可得到如图6a 所示的拟合形式。其拟合公式为3.22I I d 0.17( (3.19,5.86d aK K N= 从拟合优度上看，图6a 的拟合形式分散带较大，对于本试验实例而言并不理想，需要采用更为细致的拟合形式。通过对比验算，可确定使

18、用三分段折线拟合方2008年1月 周 迅等：曲轴疲劳裂纹扩展规律测试及形成机理分析241式能获得较理想的效果，该拟合方法进一步将B 区再分为三个小段即B 1、B 2和B 3。如图6b 所示。其拟合公式为(712.73I I 2.23I I 3.71I I 6.78103.19,3.76d 0.73 3.76,4.59d 0.076 4.59,5.86K K a K K N K K = 图6 裂纹扩展速率曲线拟合曲轴裂纹扩展曲线在中间区段上所呈现的三分段形式，表现了作为实体试验对象，裂纹扩展的特有规律。这个趋势在表观上是比较明显的，而且单独看所有的14号试样，均呈现了这样的特征，据此推断：这种规

19、律性不是试验误差所衍生的，而是试验对象固有的。 需要说明的是，严格判定裂纹扩展进入Paris 区是以断口的理化检验结果为依据的，当裂纹顶端塑性区跨越多个晶粒产生双滑移机制时认为裂纹扩展进入Paris 区。工程上也常据材料的性质按经验裂纹扩展速率作为依据，一般认为裂纹扩展速率在106105 mm/循环以上时即进入了Paris 区。由于针对曲轴的这类试验目前开展不多，相关经验数据尚比较缺乏。本文取5106 mm/循环为判据，当裂纹扩展速率超过该值后，认为进入Paris 区。5 裂纹扩展规律描述及机理分析试件的几何特征及裂纹形式、载荷比、材料的微观组织结构等对裂纹扩展具有影响。而已有研究表明应力比是

20、其中一个较为显著的因素3-5。根据这些经验以及曲轴的实际加工过程可初步判定：造成曲轴Paris 裂纹扩展区呈三分段特征的原因应在于载荷比的变化或裂纹尖端材料微观组织结构的变化。而最主要的原因是裂纹跨越曲轴圆角残余应力区时，裂纹前沿应力比的突变。而通过下面对曲轴裂纹扩展规律的描述进一步辅证了这一机理。 5.1 中间扩展区及临界扩展区对称循环载荷(应力比r = 1若加载到一个均质、无残余应力的物体上，物体内部也具有相同的应力比，这种情况下，裂纹的扩展速率保持为一个平稳的趋势。且裂纹椭圆的短长轴比a /b 也一般保持一个小于1的定值。但由于曲轴圆角上经历了表面氮化、滚压等工艺措施，残余应力将导致裂纹

21、在相应区域内扩展时，裂纹前沿应力比具有不同于外在载荷比的值。而当裂纹在跨越该区域时，裂纹前沿应力比将发生两次突变，这就导致了裂纹扩展的不连续性，从而使曲轴裂纹的Paris 扩展区的裂纹扩展曲线具有了三分段的形式。曲轴圆角上的残余应力区如图7环形灰色斜线填充区域所示，源于曲轴圆角内侧的裂纹在萌生初期，横、纵两个方向上的裂纹尖端点均处于残余应力区内部，也即裂纹的整个前沿都在残余应力区之内。随着裂纹的扩展，纵向(椭圆短轴 正前沿(=/2首先跨越残余应力区，进入B 1区。此后的一段时间内，由于裂纹在纵向前沿扩展方向上不受残余应力的影响，所受阻力较小，故裂纹在纵向前沿上扩展速率增加较快。裂纹面的纵横向尺

22、寸比例a /b 增加。在弯矩载荷的作用下，纵向前沿上所承担的裂纹扩展驱动力比例下降，而横向(椭圆长轴 左右两个扩展前沿( = 0， = 上所承载的裂纹扩展驱动力的比例增加。直至在两个方向上这种裂纹阻力达到相图7 曲轴裂纹扩展速率两次转折示意图机 械 工 程 学 报 第44卷第1期242对平衡，则裂纹在纵向上的扩展速率的增加又会慢下来，这时裂纹进入B 2区扩展。从曲轴的断口形貌上观察，裂纹在B 1区扩展的尺寸特征是相当明显的。在相当一段时间内，甚至出现了椭圆短轴a 大于其长轴b 的情况。据本实例的实测结果，在B 1区对应的平均裂纹深度范围约为24 mm，而宽度范围则约为3.26.1 mm。最大短

23、轴长轴尺寸比a /b 约为1.1。在B 2区中，由于有较大比例的裂纹面处于残余应力区，在纵、横向前沿上的裂纹扩展驱动力达到相对平衡的情况下，d a /dN 显得相对比较平稳。B 2区的末端对应的是裂纹扩展对残余应力区的第二次跨越。这一次跨越残余应力区的是裂纹的横向前沿(椭圆长轴 的左右两个正前沿。完成这次跨越之后，裂纹前沿上应力强度因子最大的三个点(即纵向正前沿和两个横向正前沿 均脱离了残余应力区，这时裂纹的扩展再次变的活跃，进入B 3扩展区。据本例断口形貌实测，裂纹进入B 3区时，裂纹深度a 约为912 mm，此时裂纹面面积已经占到接近危险断面总面积的10%。在不长的时间后裂纹进入C 区，并

24、在疲劳扩展之外伴随不同程度的解理、沿晶和纤维状断裂等静态扩展模式(如图2所示 ，裂纹扩展速度急剧加快，大约再经过不到5105次后发生完全断裂。5.2 近门槛值扩展区上述对疲劳裂纹扩展的讨论对近门槛值扩展区(A 区 未做详细的描述。这一区段的疲劳裂纹的扩展主要涉及非连续失效过程，其疲劳裂纹扩展速率小于每循环106 mm。该区的应力强度因子变程与疲劳裂纹扩展的门槛值K 0差别不大。通常可用操作K 0来代替理想K 0，前者指裂纹最大扩展速率不超过临界值(一般为每循环108 mm的K ，该临界值取决于裂纹检测系统的精度以及前后两次检测裂纹长度之间所经历的循环数。目前已经有一些方法对疲劳门槛值K 0进行

25、试验测定。如常用的载荷递减降K 梯度技术、自停滞预裂纹应力递增技术以及变载荷比技术等。根据测定疲劳门槛值的方法各不相同，文献中所报导的有关数据的精度有很大的差别，主要原因是各试验方法中的人为因素对疲劳门槛值测量结果的影响会超过微观组织结构或力学参数的内在效应。也由于这个原因，在对裂纹扩展机制解释时，应根据K 0操作定义并采取比较谨慎的态度。在本例中，由于裂纹的检测手段精度有限，故所得到的在A 区的有效数据十分散乱，未能作出规律性的总结，对于操作K 0的值只能有个大致估计。6 结论(1 应用扫频法对4个试样进行测试，发现了该曲轴的裂纹扩展速率在Paris 区呈现三分段规律。根据试件曲轴的加工特点

26、以及断口形貌所呈现的特征，对这种规律性的机理进行了推论，认为这种规律与曲轴圆角表层残余应力有直接的关系。(2 随着内燃机的进一步强化，其关键受力零部件在材料选用和加工工艺上不断革新，传统上采用的以裂纹萌生来判定零部件失效的方法表现出其片面性。通过裂纹扩展试验来认识零部件的裂纹扩展规律，有利于在此基础上更准确的评估实际可达到的使用寿命并制定更加合理的使用和修理规范。参 考 文 献1 HANLONA T, TABACHNIKOVA E D, SURESH S. Fatiguebehavior of nanocrystalline metals and alloysJ. International

27、Journal of Fatigue, 2005, 27(10-12：1 147-1 158.2 SADANANDA K, VASUDEV ANB A K. Fatigue crackgrowth behavior of titanium alloysJ. International Journal of Fatigue, 2005, 27(10-12：1 255-1 266.3 ZHAO J, MIYASHITA Y, MUTOH Y. Fatigue crack growthbehavior of 95Pb5Sn solder under various stress ratios and

28、 frequenciesJ. International Journal of Fatigue, 2000, 22(8：665-673.4 YASUO O, KIYOTAKA M, TAKASHI M, et al. Effect ofshot-peening treatment on high cycle fatigue property of ductile cast ironJ. International Journal of Fatigue, 2001, 23(5：441-448.5 SILV A F S. The importance of compressive stresses

29、 onfatigue crack propagation rateJ. International Journal of Fatigue, 2005, 37(10-12：1 441-1 452.6 GB/T 6398-2000. 金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法S. 北京：中国标准出版社，2000.GB/T 63982000. Standard test method for fatigue crack growth rates of metallic materialsS. Beijing：Standards Press of China, 2000.7 林晓斌, SMITH R A. 应用三维有限单元法计算应力强度因子J. 中国机械工程, 1998, 9(11：39-42.LIN Xiaobin, SMITH R A. Stress intensity factor calculation using 3-D finiteelement methodJ. China Mechanical Engineering, 1998, 9(11：39-42.作者简介：周迅，男，1978年出生，讲师。主要研究方向为结构强度、可靠性理论及试验技术。 E-mail ：zhouxun