锻钢和球墨铸铁曲轴的疲劳性能

锻钢和球墨铸铁曲轴的疲劳性能乔纳森威廉姆斯和阿里法特米托莱多大学摘要疲劳是内燃机中的曲轴失效的主要原因。循环加载和在曲柄销圆角的应力集中是不可避免的，并可能导致疲劳破坏。本研究的目的是比较的锻钢和球墨铸铁曲轴疲劳行为一一缸发动机以及确定是否曲轴的疲劳寿命是疲劳寿命预测的准确估计。单调拉伸试验以及应变控制疲劳试验用试样加工曲轴获得单调和循环变形行为和两种材料的疲劳性能研究。锻钢具有较高的拉伸强度比球墨铸铁更好的疲劳性能。夏比V型缺口冲击试验用试样加工曲轴的获得和比较材料的冲击韧性进行。锻钢无论在何种温度下的T-L和T-L方向的冲击韧性都要比球墨铸铁更好。负载控制部件的疲劳试验，采用锻钢和球墨铸铁曲轴进行。对于一个给定的弯矩调幅，锻钢曲轴有六个因素（6）比球墨铸铁曲轴寿命更长。曲轴的有限元分析，使用类似于组件试验边界条件下进行的。从试样的疲劳性能进行了曲轴的寿命预测。基于S-N预测的结果接近基于为锻钢和铸铁曲轴组件测试的结果。所以S-N的预测是非常接近的实际从锻钢构件测试的结果，但是铸铁曲轴不太精确的。介绍内燃机曲轴把活塞的直线运动转化为曲轴的旋转运动。用来驱动曲轴用于汽车或其它装置。曲轴具有很宽的范围从一小缸割草机引擎应用到非常大的多缸柴油机。曲轴的一个组成部分，目的是持续直至报废的发动机或车辆。作为一个高速度，旋转构件，其使用寿命有数百万，甚至数十亿的重复的负载周期。因此，曲轴通常被设计为无限的生命。延森（1）在他的一个V-8汽车曲轴惯性和天然气发动机的载荷作用下的弯曲和扭转的形式创建一个多轴应力情况的研究表明。这样做是通过应变计测量应用到曲轴的弯曲和扭转。只有最大的扭转和弯曲力矩被认为和测试通过最大主应力理论的一个恒定幅度的弯曲试验。谐振式弯曲试验是在曲轴的部分进行的。采用S-N方法确定了曲轴的疲劳寿命。存在应力集中或缺口，在曲轴是不可避免的。在曲轴上有直径变化的地方，存在应力集中可能会导致疲劳失效。鱼片是用来降低应力集中程度。延森确定了曲柄销上的曲轴圆角最关键的位置。在曲轴圆角滚压往往是为了在成分诱导的残余压应力，它可以帮助弥补缺口的影响。残余应力对曲轴疲劳的影响是由简等人的分析。（2）。本研究还采用谐振的弯曲试验，在有限元分析结果表明，第四型引起的曲轴弯曲的部分。曲轴进行了测试，直到确定故障在106个周期的疲劳强度。因为轻量化，降低成本的需求一直是强大的。汽车行业经常试图通过使用轻量化来提高汽油里程，包括优化的几何形状和材料，同时降低制造成本。为了降低制造成本的方法之一是通过使用不同的材料和工艺。有曲轴，重量更轻，更便宜的生产同时保持所需的疲劳性能的愿望。用于曲轴批量制造最常见的是铸件和锻件。通常情况下，球墨铸铁在铸造用而钢用于锻造工艺。微合金钢可以用来消除一些锻钢应用的热处理工艺的需要。等温淬火球墨铸铁的强度比普通球墨铸铁高。查特莱夫人等人。（3）比较，球铁曲轴，奥贝球铁（ADI），锻钢的疲劳性能。球墨铸铁ADI曲轴制造相同的尺寸为锻钢曲轴。每个曲轴被夹在两个主轴承和弯矩是由安装在曲轴的两端力臂的应用。曲轴进行107个周期或失败。疲劳极限在106周期为三的材料，建立了。结果表明，当标准圆角滚压力用，ADI比锻钢的疲劳强度明显降低。较高的轧制力改进的ADI的疲劳强度，但仍低于锻钢。然而，研究还表明ADI比球墨铸铁更好的疲劳强度。Pichard等人。（4）还比较了几种曲轴材料的疲劳性能：球墨铸铁，淬火和回火（Q＆T）锻钢，并控制冷却的35mv7（微）钢。恒定幅度的弯曲试验是用来确定每种材料的疲劳强度。本研究的目的是确定是否微合金化钢可以取代传统的锻钢和消除额外的热处理的需要。研究结果表明，Q和T锻钢疲劳性能优于圆角滚压球墨铸铁。研究还表明，离子渗氮或圆角滚压微合金化钢的疲劳性能优于Q和T锻钢离子渗氮。这项研究比较了锻钢和球墨铸铁曲轴的疲劳性能的一一缸发动机的典型（割草机）。曲轴在本研究分析如图1所示。锻钢曲轴（图1a）是设计用来在460CC引擎产生约9.3千瓦。铸铁曲轴是从一个类似的发动机的大小和类型。锻钢曲轴有一个质量为3.9公斤和3.7公斤，铸铁。首先，从试样的测试程序和结果进行了比较，包括单调拉伸，恒定幅度的单轴疲劳，和夏比V型缺口冲击试验。的有限元分析（FEA）的描述和结果也包括在内。然后介绍了组件的两个曲轴弯曲疲劳试验的过程和结果。疲劳寿命进行预测并与构件的疲劳试验结果进行了比较。最后，结论是由两种材料比较。（a）（b）图1：照片中的（a）和（b）锻钢曲轴用球墨铸铁的研究。单一材料的锻钢和球墨铸铁曲轴疲劳实验两研究所用材料为锻钢（AISI1045）和球墨铸铁。对两种材料的化学成分见表1。表1：化学成分的重量百分比（5）圆形标本的锻钢和球墨铸铁曲轴，在未加工的状态（如锻造或铸造）。两个标本从每个曲轴加工。锻钢，一个标本从每个曲轴的两端删除。对铸铁，标本从曲轴的同一端移出，显示如图1b的右侧。试样的纵向轴线正好与曲轴的纵向轴线。第一标本从曲轴粗加工，然后最终的几何形状是加工数控车床。所有标本检查直线度和对称性。抛光后进行加工以确保所有加工痕迹被从样品在测试前。抛光后，标本涂环氧树脂在引伸计的刀刃的位置以保护试样。50千牛闭环伺服液压测试框架的数字伺服控制器控制进行测试。用6毫米的标距长度的额定ASTMB1级是用来控制应变引伸计。的引伸计的能力范围内为10%和6%。使用千分尺头与测量的最小增量校准的引伸为（0.0001英寸）。倾斜和偏心引起的负荷训练误差。这不对，导致试样的弯曲应力测试中的单轴应力所需的时候。负荷训练，包括传感器，致动器，把手，和试样，进行了仔细对准测试前。随着直圆柱棒与应变计校准夹具是用于调整负荷训练。允许的最大弯曲应变应不超过5%的最小轴向应变范围强加在任何测试程序由ASTM标准e606确定（6）。弯曲变形量明显少于规定的要求。试验是在室温下进行监控和维持2°C.使用精密计监测湿度同步进行。每个都是单调拉伸试验两种材料。一个样品进行了测试，对每种材料。测试是根据ASTME8研究确定的（7）。恒定幅度的单轴疲劳试验是在两种材料进行了测试。根据ASTM标准进行e606。应变振幅范围从0.16%到2%为锻钢，球墨铸铁试样的应变振幅0.135%测试2%。最小的两个样本进行测试，每种材料在每个应变振幅与除2%，其中只有一个标本的每种材料进行了测试。13例，15例锻钢和球墨铸铁进行了测试。测试进行应变控制的一些长期寿命试验和运行试验的例外。对于较长的寿命试验的控制切换应变加载负荷后在应变控制稳定。在应变控制的频率从0.1赫兹到1赫兹取决于应变振幅和切换到更长的寿命试验的控制荷载后保持不变。在运行测试，测试开始在应变控制，然后切换到负载控制如果应变是弹性和塑性应变是没有建立。频率运行在负荷控制测试增加到25赫兹。三角波形被用于所有的测试。计算机软件自动记录数据在2N周期间隔的测试。结果与材料性能的比较从单调拉伸试验得到的材料特性，总结在表2。从表中可以看出，对于球墨铸铁的抗拉强度是80%，锻钢的屈服强度，和只有66%，锻钢。锻钢还具有比球墨铸铁更延展性，通过对锻钢只有6%球墨铸铁58%面积减少百分之一。单调的工程应力与应变工程示为锻钢和球墨铸铁在图2叠加图。图2：单调的应力-应变曲线叠加的锻钢和球墨铸铁。层次图的单调和循环的真应力和真应变为材料，如图3所示。从图中可以看出，锻钢的循环应力-应变曲线是单调曲线以下。这表明，锻钢的循环软化。球墨铸铁的循环应力-应变曲线是单调曲线的上方，这表明它的循环硬化。循环性能得到恒定振幅完全逆转的单轴疲劳试验进行了总结在表2。图4显示了叠加的真实应力振幅随逆转为锻钢和球墨铸铁在日志日志规模的失败。描述材料的S-N行为方程：表2：锻钢和球墨铸铁材料性能综述。图3：叠加循环和单调的应力-锻钢和球墨铸铁应变曲线。方程（1）是用来确定被定义为限制在106个循环的材料的疲劳强度。钢的疲劳极限在106次以下，疲劳破坏通常不发生在常幅载荷。铸铁的S-N曲线继续经过106个周期的下降。在106个周期的锻钢的疲劳强度为359MPa和263兆帕的球墨铸铁。这表明，在106个周期的球墨铸铁的疲劳强度是73%锻钢的疲劳强度。对于一个给定的应力振幅，锻钢提供了30倍更长的寿命比在高循环区域铸铁。图4：真应力振幅随逆转为锻钢和球墨铸铁材料的失效。真正为锻钢和球墨铸铁的塑性应变所破坏是在图5所示。该地块将由于只有弹性加载条件，曲轴必须忍受非常高周疲劳必要存在小目的在汽车中的应用。然而，在割草机发动机的情况下，有一个潜在的曲轴可以承受冲击载荷的条件下，如突然停止，造成应力集中塑性应变。图5显示了对于一个给定的塑性应变振幅，锻钢已超过一个数量级，比铸铁更长的寿命。图5：真正的塑性应变与逆转为锻钢和球墨铸铁材料的失效。总应变振幅相加得到的弹性应变和塑性应变振幅曲线。应变寿命方程给出了：叠加应变寿命曲线的两种材料在图6的比较。可以看出，高和低循环疲劳的锻钢提供了对于一个给定的应变振幅的寿命更长。在漫长的一生中，锻钢提供约级的时间生活秩序。图6：叠加真应变振幅随逆转为锻钢和球墨铸铁的失败。缺口疲劳行为通常是由应力和应变范围在缺口根部的操作控制。一个构件的情节往往可以提供一个比应力或应变寿命曲线的生活更好的了解，因为这个参数相结合的应力振幅，应变，和弹性模量为一个参数。对于这两种材料的寿命曲线显示叠加在图7。Neuber应力参数的计算公式：从图7，可以看出，锻钢提供了超过五十的一个因素（50）倍的时间生活在长期的生活中。图7：Neuber曲线叠加的锻钢和球墨铸铁。锻钢和球墨铸铁夏比V型缺口冲击性能夏比V型缺口试样的锻钢和球墨铸铁曲轴加工件的几何形状符合ASTM标准E23（8），其中列出了几何的几个选项。标准的10毫米×10毫米×55毫米（A型）与V型缺口试样的几何形状被选择因为它是最常见的几何应用。锻造过程导致夹杂物成为最大晶粒流动方向或组件的纵向方向延长。材料的性能，因此可以依赖的取向。两个不同的试样取向用于锻钢件，而只有一个方向是用于铸铁。这两种取向用于锻钢试样进行长期和T-L如图8所示。标本的L-T方向使得曲轴的纵向轴线是正常的裂纹和缺口（裂纹扩展方向）在横向方向。在长期的标本从曲轴主轴承部分去除，而T-L标本从Web节删除。铸铁试样从Web部分去除，垂直于T-L试样取向的锻钢在图8所示。标本进行粗剪从曲轴再加工轧机尺寸大于最终规格。最终加工磨床上进行。缺口是切断与一个45度的双角与适当的半径的铣刀卧式铣床。图8：夏比V型缺口试样取向的锻钢。夏比冲击试验，根据ASTM标准E23进行。试验是在一个摆锤式冲击试验机，在使用前进行校准。进行测试，以六种不同的温度下，观察对冲击韧性的温度的影响。在0°试验浸渍标本在冰水浴中进行。低于0°C干冰一起使用在一个保温容器实验室级异丙醇试验。标本放置在洗澡前至少5分钟的测试。用于测试在100C和200C°°数字控制器电烤箱是用来维持适当的温度。标本放置在烤箱在至少一个小时之前测试的适当的温度。所有的测试在非环境温度下进行，在5秒内从温度调节环境中除去试样进行试验。经过测试，检查标本和断口剪切面积百分比测定。百分比剪切（球）通过比较各裂隙试样断口表面提供的ASTM标准E23断口图获得骨折。从夏比冲击试验得到的平均结果从两个测试在每个温度在图9中的条形图的形式给出。从图中可以看出，锻钢的L-T方向已经在整个温度范围内最高的冲击韧性。在T-L方向为锻钢的冲击韧性仍显著高于铸铁试样。吸收的能量与温度曲线对所有三个试样类型图10。由于组件的测试应用（割草机曲轴），它认为必要的测试温度范围内，发动机可操作的。因此，曲线不显示下架区。图9：平均吸收能量的所有数据，锻钢和铸铁夏比V型缺口试样。图10：吸收的能量与锻钢和球墨铸铁L-T、T-L温度曲线。百分比值从测试得到的剪切断裂后总结在表3。如前所述，两个样本进行测试，每个样品类型在给定温度。值的百分比剪切断裂是一个平均的两个试样的测试。从中可以看出，锻钢的数据（长期和T-L）表现出脆性的方式在零度以下的气温和两个方向呈韧性断裂的