曲轴疲劳裂纹扩展规律测试及形成机理分析.docx

第44卷第1期2008年1月
机械工程学报

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，20070822收到修改稿
有以下几类：①疲劳裂纹的萌生机理。②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。③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。④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①〜③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④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
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
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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，即可犹得
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da/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da/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

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玄％,%,%。
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1〜4号。试件材料42CrMo,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（rb/MPa880单性年K量E/GPa208泊松比

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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2540Nm,，即试验弯矩幅值
14318NmM-二？
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。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
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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