李洪 崔兰芳 董凤堂
　　（烟台市产品质量监督检验所，国家机动车配件产品监督检验中心，山东烟台，260000）
　　摘要：采用化学成分分析、金相组织检验，扫描电镜观察等方法对断裂的LL480汽车发动机连杆进行了分析。结果表明：连杆的断裂属于低应力疲劳断裂。连杆小头孔表面的切削刀痕是导致连杆断裂的主要原因，对预防同种失效现象的再度发生具有重要的借鉴意义。
　　关键词：连杆；低应力疲劳断裂；切削刀痕
　　The Fracture Failure Analysis of the Automobile Connecting Rod
　　Li Hong  Cui Lanfang  Dong Fengtang
　　(National center of quality supervision and inspection for automobile fittings of china, Yantai products quality supervision and testing institute, Shandong，260000)
　　Abstract：The fracture reasons for the LL480connecting rod were analyzed by chemical analysis, metallographic examination and SEM observation. The results show that the fracture of the LL480 connecting rod is due to low-stress fatigue fracture. The cutter marks of the surface of the connecting rod small end hole are the main reasons for the fatigue fracture.
　　Key words: connecting rod; low-stress fatigue fracture; cutter marks
　　1 引言
　　汽车发动机连杆由连杆小头、杆身和连杆大头（包括连杆盖）三部分组成，主要承受活塞销传来的气体作用力和活塞组往复运动时的作用力。此外，由于连杆变速摆动而产生的惯性力矩，还使连杆承受一定的弯矩。这些力和力矩的大小和方向都是周期性变化的，因此连杆受到的是压缩、拉伸和弯曲等交变载荷。如果连杆在交变载荷作用下发生断裂，则将发生恶性破坏事故[1]。我所受某公司委托，对其委托的LL480汽车发动机连杆的非正常断裂事故进行失效分析，找出其断裂原因，对预防同种失效现象的再度发生具有重要的借鉴意义。
　　2 理化检验
　　2.1 化学成分分析
　　在连杆的断口附近取样，用直读光谱仪测定连杆材料的主要化学成分，结果(质量分数) 见表1，可见断裂件的化学成分符合GB/T 699-1999标准中对45#钢的要求。
　　表1连杆主要化学成分
　　Tab. 1 The chemical composition of the connecting rod
　　项目C,%Si,%Mn,%P,%S,%
　　实测值0.450.220.560.0190.007
　　技术要求0.42-0.500.17-0.370.50-0.80≤0.035≤0.035
　　2.2 金相组织检验
　　在连杆断裂件上取金相试样，经磨、抛光和用4%的硝酸酒精溶液侵蚀后，在金相显微镜下观察，如图1所示，其显微组织为回火索氏体和少量铁素体。
　　图1 连杆显微组织(400×)
　　Fig.1 The microstructure of the connecting rod(400×)
　　2.3  断口分析
　　2.3.1 宏观形貌分析
　　图2为断裂连杆及其断口和轴瓦的宏观形貌图。由图2a可见，连杆断裂部位位于连杆杆身与小头的截面尺寸突变处。由图2b可见，断裂源为断口左上侧椭圆所示位置，断口颜色灰暗，可观察到清晰的贝纹线，由连杆小头孔边缘向外扩展，从贝纹线的扩展特征可看出靠近裂纹源扩展较慢,中间扩展较快，扩展区面积很大，几乎占据整个断口区域，属于低应力高周疲劳性质。瞬断区位于杆身与小头之间的过渡圆弧区域，面积相对较小。由图2c可见，小头轴瓦（铜套）受到敲击，发生变形、断裂，内壁合金层部分脱落，未见有摩擦磨损的痕迹。由图2d可见，连杆小头孔内壁虽然敲击碾光痕迹明显，但仍然能够看到有很深且有规律的切削刀痕，呈螺纹状。
　　图a 连杆断裂形貌                         图b断口宏观形貌
　　图c 小头轴瓦断裂形貌             图d  连杆小头孔内壁形貌
　　图2  断裂连杆及轴瓦宏观形貌
　　Fig.2 The macro-morphology of the fracture connecting rod and bearing
　　2.3.2 微观形貌分析
　　将断口用丙酮及超声波振荡清洗，吹干，用扫描电子显微镜对该连杆断口的不同区域依次进行了观察和分析，图4所示。由图4a、b可见，断裂起源于连杆小头孔表面箭头所示位置，小头内壁表面可见明显的切削刀痕及敲击碾光痕迹，断口上存在清晰的疲劳弧线及疲劳条带特征，呈放射状向外扩展。由图4c可见，裂纹扩展区呈现微观的疲劳特征。整个断口上未见明显的韧窝特征，疲劳裂纹扩展较充分，说明连杆在断裂的过程中受到的应力较小。
　　a.断口低倍形貌                               b.源区低倍形貌
　　c.扩展区断口形貌
　　图3 连杆断口微观形貌
　　Fig.3 The micro-morphology of fracture
　　3 分析与讨论
　　3.1 断裂性质
　　根据连杆宏观、微观观察结果可知，断裂起源于连杆小头孔表面，断口上存在清晰的疲劳弧线特征，裂纹扩展充分，扩展区面积很大，瞬断区面积很小，未见明显的韧窝特征，说明连杆在断裂的过程中受到的应力较小，属于低应力下的疲劳断裂。
　　3.2 断裂原因
　　连杆材料为45钢，其化学成分在国标规定范围内，连杆失效不是由于选材不当所致。连杆的金相组织为回火索氏体加少量铁素体，为正常调质处理组织。
　　由连杆小头轴瓦（图2c）断裂宏观形貌可知，轴瓦表面未见明显的摩擦磨损痕迹，是受到敲击，发生变形、断裂，说明轴瓦不是先断裂件，轴瓦的断裂不是导致连杆断裂的原因。活塞销砸轴瓦，轴瓦砸连杆小头孔内壁，导致连杆小头孔内壁敲击碾光痕迹明显，但是仍然可以看到很深且有规律的切削加工刀痕，说明连杆的机械加工粗糙，加工质量很差。从断裂的位置看，连杆杆身与小头的截面尺寸突变处正是连杆的最大应力点[2]，切削刀痕的存在而引起的应力集中，导致刀痕处疲劳裂纹源的形成，断裂部位承受着偏斜拉伸交变载荷作用，该裂纹逐渐向截面的其余部分扩展，直至连杆发生断裂。
　　4.结论与建议
　　（1）LL480连杆的断裂属于低应力疲劳断裂，连杆小头孔表面切削刀痕的存在是导致连杆断裂的主要原因。
　　（2）注意加工质量，防止刀痕等刻痕引起应力集中，因为疲劳有很强的缺口敏感性。
　　参考文献
　　陈家瑞. 汽车构造[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009: 68.
　　曹正. 6130汽车发动机连杆断裂分析[J]. 汽车工艺与材料: 1995, 7: 15-16(43).
　　收稿日期：
　　作者简介：李洪，1964年生，高级工程师，现任烟台市产品质量监督检验所副所长，国家机动车配件产品监督检验中心主任，主要从事机械，电子，机动车配件等检验及失效分析。