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

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

中圖分類號(hào):TG156.23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2022)01-0008-03

應(yīng)力是造成發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生裂 紋和加工尺寸穩(wěn)定性差的原因之一。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) 過程中,氣缸蓋會(huì)受到螺栓緊固力、燃?xì)獗l(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(zhuǎn)。另外,在氣缸蓋鑄造過程中,會(huì)產(chǎn)生殘 余應(yīng)力,這使得氣缸蓋的應(yīng)力狀態(tài)更為復(fù)雜[1]。采 取一些措施可以降低氣缸蓋生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的鑄造 殘余應(yīng)力。一般通過熱處理消除工件的鑄造殘余應(yīng) 力,不同熱處理工藝消除殘余應(yīng)力的效果略有不同, 這是由熱處理消除殘余應(yīng)力的機(jī)理決定的[2]。所以,準(zhǔn)確測(cè)定氣缸蓋在熱處理前后的殘余應(yīng)力,是制 定熱處理工藝的首要前提。目前,國(guó)內(nèi)氣缸蓋殘余 應(yīng)力檢測(cè)方法主要有盲孔法[3]和全釋放應(yīng)變法。兩 種方法一般都適合表面殘余應(yīng)力的檢測(cè),但對(duì)于發(fā) 動(dòng)機(jī)氣缸蓋,僅通過表面殘余應(yīng)力來評(píng)價(jià)熱處理前 后的殘余應(yīng)力狀態(tài)是不全面的。

為此筆者針對(duì)灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵兩種氣缸蓋, 采用壓痕應(yīng)變法、全釋放應(yīng)變法和深孔(Deep-Hole Drill,DHD)法檢測(cè)其在熱處理前后的殘余應(yīng)力,來 評(píng)價(jià)熱處理消除殘余應(yīng)力的效果。壓痕應(yīng)變法用于 測(cè)量氣缸蓋的表面殘余應(yīng)力,并通過全釋放應(yīng)變法 對(duì)各檢測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)證,然后采用 DHD 法對(duì)氣缸蓋深度方向的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè),以獲得 較全面的殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果。

1 檢測(cè)原理

1.1 壓痕應(yīng)變法和全釋放應(yīng)變法

壓痕應(yīng)變法是通過壓痕外彈性區(qū)的應(yīng)變?cè)隽壳?解原始?xì)堄鄳?yīng)力的方法,采用應(yīng)變片作為測(cè)量用敏感 元件,在應(yīng)變花中心部位采用沖擊加載方式制造壓 痕,通過記錄壓痕外彈性區(qū)應(yīng)變?cè)隽康淖兓?再計(jì)算 得出殘余應(yīng)力。壓痕應(yīng)變法檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性高、穩(wěn) 定性好且操作便捷,是目前不依賴于材料的物性參數(shù) 且最接近無損檢測(cè)的一種應(yīng)力檢測(cè)方法[4]。壓痕應(yīng) 變法多用于檢測(cè)鋼結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力,在鋁合金、鈦 合金等結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用也逐漸增多。壓痕應(yīng)變法的 檢測(cè)范圍不受材料限制,對(duì)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(yīng)力計(jì)算函數(shù),這決 定了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。根據(jù) GB/T24179—2009 《金屬材料 殘余應(yīng)力測(cè)定 壓痕應(yīng)變法》,作者采用試 驗(yàn)標(biāo)定和模擬標(biāo)定結(jié)合的方式,獲得了灰鑄鐵和蠕墨 鑄鐵的應(yīng)力計(jì)算函數(shù),見式(1)和式(2)。

式中:Y 為彈性應(yīng)變;X 為應(yīng)變?cè)隽?即壓痕前后的 應(yīng)變變化量。

根據(jù) GB/T31218—2014《金屬材料 殘余應(yīng)力 測(cè)定 全釋放應(yīng)變法》,通過測(cè)得 X,就可以計(jì)算得到 Y,再依據(jù)胡克定律,便可獲得殘余應(yīng)力。采用全釋 放應(yīng)變法可以對(duì)壓痕應(yīng)變法的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,全釋 放應(yīng)變法的檢測(cè)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(yīng)力[5]。作者采用的壓痕 應(yīng)變法檢測(cè)設(shè)備是中國(guó)科學(xué)院金屬研究所自主研發(fā) 的 KJS系應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng),見圖 1,該系統(tǒng)包括 KJS 系應(yīng)力檢測(cè)儀和 FS4240型帶鋸床及 DK7735型電 火花切割機(jī)。

1.2 DHD法

DHD法是目前檢測(cè)結(jié)構(gòu)材料深度方向殘余應(yīng) 力水平的主要方法之一。國(guó)外學(xué)者們采用 DHD 法 主要用于研究鋼結(jié)構(gòu)和焊接件[6-7],國(guó)內(nèi)研究較少, 僅在上海交通大學(xué)和中南林業(yè)科技大學(xué)有過初步的 研究結(jié)果[8],并未在實(shí)際結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力檢測(cè)中得 以推廣應(yīng)用。DHD法檢測(cè)過程見圖2,簡(jiǎn)化后的計(jì) 算公式見式(3)和式(4)。

式中:θ為測(cè)試角度;Z 為測(cè)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(yīng)力方 向;ε為應(yīng)變;d0 為測(cè)孔初始直徑;d 為套孔后測(cè)孔 直徑;E 為材料的彈性模量;σ(Zi)為不同深度處的 殘余應(yīng)力。

通過準(zhǔn)確測(cè)量出測(cè)孔在套孔前(見圖2步驟2) 后(見圖2步驟4)的直徑變化,可以計(jì)算出殘余應(yīng) 力的大小。作者在進(jìn)行 DHD 法檢測(cè)殘余應(yīng)力時(shí), 采 用 DIATEST 3.0 內(nèi) 徑 測(cè) 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(yīng)力檢測(cè)

2.1 壓痕應(yīng)變法檢測(cè)結(jié)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(hào)的氣缸蓋,分別記為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4 號(hào)氣缸蓋。1,2,3號(hào)氣缸蓋材料為灰鑄鐵,4號(hào)氣缸 蓋材料為蠕墨鑄鐵。1號(hào)和2號(hào)氣缸蓋是規(guī)格相似 的小型氣缸蓋,3號(hào)和4號(hào)氣缸蓋規(guī)格相對(duì)較大。

殘余應(yīng)力檢測(cè)位置見圖3,1號(hào)和2號(hào)氣缸蓋表 面有4個(gè)檢測(cè)點(diǎn),3號(hào)和4號(hào)氣缸蓋表面有3個(gè)檢 測(cè)點(diǎn)。壓痕應(yīng)變法檢測(cè)結(jié)果見表2,全釋放應(yīng)變法 檢測(cè)結(jié)果見表3,表中σ1,σ2 為殘余主應(yīng)力。由表1 和表2可見,氣缸蓋表面殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力,壓痕 應(yīng)變法和全釋放應(yīng)變法的殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果一致, 從表面檢測(cè)結(jié)果來看,熱處理后氣缸蓋表面壓應(yīng)力 力未明顯減小。

2.2 DHD法檢測(cè)結(jié)果

對(duì)1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)氣缸蓋的檢測(cè)點(diǎn)1,2號(hào)氣 缸蓋的檢測(cè)點(diǎn)3進(jìn)行深度方向的殘余應(yīng)力檢測(cè),檢 測(cè)結(jié)果見圖4。氣缸蓋深度方向的殘余應(yīng)力基本在 拉、壓狀態(tài)間變化,拉應(yīng)力峰值在40 MPa左右,熱 處理后氣缸蓋的殘余拉應(yīng)力峰值未有降低。

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

3 結(jié)論

(1)通過壓痕應(yīng)變法和全釋放應(yīng)變法測(cè)得氣缸 蓋表面的殘余應(yīng)力基本為壓應(yīng)力,兩種方法測(cè)得的 殘余應(yīng)力水平相當(dāng)。除3號(hào)氣缸蓋外,其余氣缸蓋 熱處理后的表面壓應(yīng)力基本沒有下降。

(2)通過 DHD法測(cè)得氣缸蓋深度方向存在拉 應(yīng)力,熱處理后氣缸蓋深度方向的拉應(yīng)力峰值沒有 降低。

(3)3號(hào)氣缸蓋可以通過熱處理工藝消除表面 殘余應(yīng)力,其余氣缸蓋熱處理前的殘余應(yīng)力水平較 低,無需進(jìn)行熱處理。

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