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分享:發(fā)動(dòng)機鑄鐵氣缸蓋熱處理前后的殘余應力對比

摘 要:采用壓痕應變法、全釋放應變法和深孔(DHD)法分別檢測兩種材料4種型號的發(fā)動(dòng)機鑄 鐵氣缸蓋在熱處理前后的殘余應力,分析了熱處理消除氣缸蓋殘余應力的效果。結果表明:通過(guò)壓痕 應變法和全釋放應變法測得熱處理前后氣缸蓋表面的殘余應力基本為壓應力,兩種方法測得的殘余 應力水平相當,除3號氣缸蓋外,其余氣缸蓋熱處理后的表面壓應力峰值基本沒(méi)有下降;通過(guò) DHD法 測得氣缸蓋深度方向存在拉應力,熱處理工藝沒(méi)有降低氣缸蓋深度方向的拉應力峰值;3號氣缸蓋可 以采用熱處理工藝消除表面殘余應力,其余氣缸蓋熱處理前殘余應力的水平較低,無(wú)需進(jìn)行熱處理。

關(guān)鍵詞:氣缸蓋;鑄鐵;殘余應力;熱處理工藝;壓痕應變法;全釋放應變法

中圖分類(lèi)號:TG156.23 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)01-0008-03


應力是造成發(fā)動(dòng)機氣缸蓋在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生裂 紋和加工尺寸穩定性差的原因之一。在發(fā)動(dòng)機運轉 過(guò)程中,氣缸蓋會(huì )受到螺栓緊固力、燃氣爆發(fā)壓力以 及活塞、連桿等產(chǎn)生的慣性力和離心力的作用,這些 大小和方向都不相同的力,會(huì )使氣缸蓋發(fā)生輕微的 彎曲和扭轉。另外,在氣缸蓋鑄造過(guò)程中,會(huì )產(chǎn)生殘 余應力,這使得氣缸蓋的應力狀態(tài)更為復雜[1]。采 取一些措施可以降低氣缸蓋生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的鑄造 殘余應力。一般通過(guò)熱處理消除工件的鑄造殘余應 力,不同熱處理工藝消除殘余應力的效果略有不同, 這是由熱處理消除殘余應力的機理決定的[2]。所以,準確測定氣缸蓋在熱處理前后的殘余應力,是制 定熱處理工藝的首要前提。目前,國內氣缸蓋殘余 應力檢測方法主要有盲孔法[3]和全釋放應變法。兩 種方法一般都適合表面殘余應力的檢測,但對于發(fā) 動(dòng)機氣缸蓋,僅通過(guò)表面殘余應力來(lái)評價(jià)熱處理前 后的殘余應力狀態(tài)是不全面的。

為此筆者針對灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵兩種氣缸蓋, 采用壓痕應變法、全釋放應變法和深孔(Deep-Hole Drill,DHD)法檢測其在熱處理前后的殘余應力,來(lái) 評價(jià)熱處理消除殘余應力的效果。壓痕應變法用于 測量氣缸蓋的表面殘余應力,并通過(guò)全釋放應變法 對各檢測點(diǎn)的殘余應力進(jìn)行驗證,然后采用 DHD 法對氣缸蓋深度方向的殘余應力進(jìn)行檢測,以獲得 較全面的殘余應力檢測結果。

1 檢測原理

1.1 壓痕應變法和全釋放應變法

壓痕應變法是通過(guò)壓痕外彈性區的應變增量求 解原始殘余應力的方法,采用應變片作為測量用敏感 元件,在應變花中心部位采用沖擊加載方式制造壓 痕,通過(guò)記錄壓痕外彈性區應變增量的變化,再計算 得出殘余應力。壓痕應變法檢測結果的準確性高、穩 定性好且操作便捷,是目前不依賴(lài)于材料的物性參數 且最接近無(wú)損檢測的一種應力檢測方法[4]。壓痕應 變法多用于檢測鋼結構件的殘余應力,在鋁合金、鈦 合金等結構件中的應用也逐漸增多。壓痕應變法的 檢測范圍不受材料限制,對于不同的材料,需要獲得 與每種材料力學(xué)特性相關(guān)的殘余應力計算函數,這決 定了檢測結果的準確度。根據 GB/T24179—2009 《金屬材料 殘余應力測定 壓痕應變法》,作者采用試 驗標定和模擬標定結合的方式,獲得了灰鑄鐵和蠕墨 鑄鐵的應力計算函數,見(jiàn)式(1)和式(2)。

式中:Y 為彈性應變;X 為應變增量,即壓痕前后的 應變變化量。

根據 GB/T31218—2014《金屬材料 殘余應力 測定 全釋放應變法》,通過(guò)測得 X,就可以計算得到 Y,再依據胡克定律,便可獲得殘余應力。采用全釋 放應變法可以對壓痕應變法的結果進(jìn)行驗證,全釋 放應變法的檢測原理也是基于胡克定律,用于表征解剖后小塊近表面的殘余應力[5]。作者采用的壓痕 應變法檢測設備是中國科學(xué)院金屬研究所自主研發(fā) 的 KJS系應力檢測系統,見(jiàn)圖 1,該系統包括 KJS 系應力檢測儀和 FS4240型帶鋸床及 DK7735型電 火花切割機。

1.2 DHD法

DHD法是目前檢測結構材料深度方向殘余應 力水平的主要方法之一。國外學(xué)者們采用 DHD 法 主要用于研究鋼結構和焊接件[6-7],國內研究較少, 僅在上海交通大學(xué)和中南林業(yè)科技大學(xué)有過(guò)初步的 研究結果[8],并未在實(shí)際結構的殘余應力檢測中得 以推廣應用。DHD法檢測過(guò)程見(jiàn)圖2,簡(jiǎn)化后的計 算公式見(jiàn)式(3)和式(4)。

式中:θ為測試角度;Z 為測試深度,其中0°和90°方 向可定義為x 和y 方向或1和3方向,即主應力方 向;ε為應變;d0 為測孔初始直徑;d 為套孔后測孔 直徑;E 為材料的彈性模量;σ(Zi)為不同深度處的 殘余應力。

通過(guò)準確測量出測孔在套孔前(見(jiàn)圖2步驟2) 后(見(jiàn)圖2步驟4)的直徑變化,可以計算出殘余應 力的大小。作者在進(jìn)行 DHD 法檢測殘余應力時(shí), 采 用 DIATEST 3.0 內 徑 測 量 儀 和 電 火 花 (ElectricalDischargeMachining,EDM)切割技術(shù)。

2 氣缸蓋熱處理前后的殘余應力檢測

2.1 壓痕應變法檢測結果

氣缸蓋材料有灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵兩種材料,共 有4種型號的氣缸蓋,分別記為1號、2號、3號、4 號氣缸蓋。1,2,3號氣缸蓋材料為灰鑄鐵,4號氣缸 蓋材料為蠕墨鑄鐵。1號和2號氣缸蓋是規格相似 的小型氣缸蓋,3號和4號氣缸蓋規格相對較大。

殘余應力檢測位置見(jiàn)圖3,1號和2號氣缸蓋表 面有4個(gè)檢測點(diǎn),3號和4號氣缸蓋表面有3個(gè)檢 測點(diǎn)。壓痕應變法檢測結果見(jiàn)表2,全釋放應變法 檢測結果見(jiàn)表3,表中σ1,σ2 為殘余主應力。由表1 和表2可見(jiàn),氣缸蓋表面殘余應力均為壓應力,壓痕 應變法和全釋放應變法的殘余應力檢測結果一致, 從表面檢測結果來(lái)看,熱處理后氣缸蓋表面壓應力 力未明顯減小。

2.2 DHD法檢測結果

對1號、3號和4號氣缸蓋的檢測點(diǎn)1,2號氣 缸蓋的檢測點(diǎn)3進(jìn)行深度方向的殘余應力檢測,檢 測結果見(jiàn)圖4。氣缸蓋深度方向的殘余應力基本在 拉、壓狀態(tài)間變化,拉應力峰值在40 MPa左右,熱 處理后氣缸蓋的殘余拉應力峰值未有降低。

從 DHD法檢測結果(圖4)還可見(jiàn):1號氣缸蓋 熱處理前為壓應力狀態(tài),熱處理后殘余應力性質(zhì)有 所改變,壓應力峰值降低;2號氣缸蓋熱處理前后的 殘 余 應 力 水 平 幾 乎 沒(méi) 有 變 化,保 持 在 -40~ 40MPa;3號氣缸蓋熱處理后的殘余壓應力峰值有 所降低,拉應力峰值基本維持在40 MPa以下;4號 氣缸蓋熱處理前后的殘余應力分布基本無(wú)變化,說(shuō) 明熱處理工藝沒(méi)有明顯降低氣缸蓋的殘余應力水 平。對比壓痕應變法、全釋放應變法及 DHD 法的 檢測結果發(fā)現,氣缸蓋表面殘余應力以壓應力為主, 前兩種方法的檢測結果一致,全釋放應變法測得的 數值略低,這與 DHD 法測得氣缸蓋深度方向的殘 余應力檢測結果也是相符的。

3 結論

(1)通過(guò)壓痕應變法和全釋放應變法測得氣缸 蓋表面的殘余應力基本為壓應力,兩種方法測得的 殘余應力水平相當。除3號氣缸蓋外,其余氣缸蓋 熱處理后的表面壓應力基本沒(méi)有下降。

(2)通過(guò) DHD法測得氣缸蓋深度方向存在拉 應力,熱處理后氣缸蓋深度方向的拉應力峰值沒(méi)有 降低。

(3)3號氣缸蓋可以通過(guò)熱處理工藝消除表面 殘余應力,其余氣缸蓋熱處理前的殘余應力水平較 低,無(wú)需進(jìn)行熱處理。


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<文章來(lái)源> 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗-物理分冊 > 58卷 > 1期 (pp:8-10)>

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