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金属软管断裂原因分析

2017-4-23 1:59:36点击:
      金属软管必须正确安装,其安装长度应在最大拉伸与压缩长度的中间位置。若安装不当,金属软管容易在不正常部位,即端部发生断裂。金属软管起减振作用的部分为近发动机端,约占整个软管长度的1/3,其他长度区域则属于补偿安装公差段。在使用过程中,由于其结构的特殊性,内扣接触面有摩擦,且间隙内容易积聚淤泥。久而久之会发生断裂或被卡死,失去柔性伸缩的能力,不能有效吸收发动机传来的振动,就会导致其他部件损坏,甚至波及消声器。因此,很有必要分析金属软管的失效机理。

      本研究所分析的金属软管为ASS 型结构,如图1所示。在使用过程中发生了断裂,其余部分位置则卡死不能伸缩。故障时行驶里程为3万多km(标准要求是保证10万km内不失效) ,其使用寿命远远低于预期。经市场返回的统计数据,同类型的金属软管发生较大比例断裂,其断裂的里程基本都集中在4万km 以下。本研究对失效的金属软管进行宏观分析、断口分析、金相分析、能谱分析等,找到金属软管发生断裂和卡死失效的原因,并提出改进建议。

一、实验过程与结果


1.1 宏观分析

      金属软管的宏观形貌如图2a所示,表面布满泥土,呈土黄色,内表面则有黑色的积碳。断裂位置在靠近发动机一端约2 ~ 4扣处,断裂处的细节如图2b所示,在外侧表面可以看到残留的断口。将断裂处拉开后如图2c所示。将断裂部分切下后,打开缠绕的S型钢带,可见有2个方向的裂纹,一是在折弯处的呈周向的裂纹(图2d) ,另一处是呈轴向(或纵向,图2e) 的裂纹,两个方向裂纹交汇时,最终导致了排气管断裂。周向的裂纹相对来说较平直,纵向的裂纹有的平直有的则比较曲折,断裂处截面非常的薄。

图1 金属软管宏观及纵向剖视图


1.2 断口宏、微观观察
      将金属软管的周向和纵向断口都放置在扫描电镜内观察,其周向断口的截面均非常薄,约0.02 mm,有的已被磨损,局部保存完好区域的断口微观如图3a、图3b所示,起源为线源,断口的特征为疲劳,源区未见异常; 图3c、图3d所示为纵向断口的低倍形貌,从内侧表面起源,线源,断口微观特征如图3d 所示,为疲劳特征。纵向断口截面厚度约0.4 mm。

图2 金属软管断裂位置及断口形貌


1.3 化学分析
      对金属软管进行化学成分检测,结果如表2所示。其中Cr、Ni 含量刚好在304 不锈钢的成分要求的下限。

表2 金属软管化学成分检测结果( 质量分数/%)


1.4 硬度检测
      对金属软管的金相截面进行显微硬度测试,结果如表3所示。在折弯处由于原材料加工硬化的影响,其硬度比非折弯处高。

表3 金属软管金相截面硬度测试结果

二、分析与讨论

      金属软管的裂纹有两个方向,一是沿着S型折弯处的周向裂纹,从表面起源,为线源,沿着软管的截面厚度方向扩展;另一个是呈纵向(或轴向) 的裂纹,也是从表面起源,为线源,沿着截面厚度方向扩展;当两个方向的裂纹交汇后,最终导致了金属软管的断裂。通过对周向折弯处的断口以及纵向断口做微观分析发现,断裂源均为线源,源区无明显材料缺陷,断口扩展区的特征均为疲劳特征。另外,其断口截面均存在不同程度的减薄,观察到的断裂截面最薄处仅仅为0.02 mm(其他未磨损区域的截面厚度则约为0.6mm) ;断口截面虽变薄,但断口附近并无变形痕迹,说明其截面的变薄并非因塑性拉伸引起。

      而断口附近的钢带表面存在明显的磨损痕迹,其磨损特征为粘着磨损+ 磨粒磨损。据文献报道,304不锈钢如与摩擦副发生摩擦,也主要以粘着磨损机制为主,且随着表面摩擦的进行,表层组织会发生马氏体转变。在载荷和摩擦剪切应力的作用下,由于表层晶粒细化、以及高密度位错的综合作用使得304不锈钢的显微硬度增大; 因此,在本案例中,金属软管断口附近的显微硬度比基体稍高,但其显微硬度的提高并不能提升其疲劳性能,第一是软管截面本身较薄,并且随着磨损的消耗,截面变得更薄,其疲劳性能随着下降。另外,表层诱发马氏体的增加对SUS304奥氏体不锈钢的磨损无明显影响。因此可以这样说,虽然在摩擦的过程中, 304不锈钢表面出现了马氏体,显微硬度也升高,但这不能阻止不锈钢薄板表面的材料损耗以及疲劳强度的下降。

      在本研究中,除了粘着磨损,其表面还有磨粒磨损的痕迹,这些磨粒成分主要是Si、O之类,是外界带入的尘土或泥沙颗粒混入了金属软管间隙,磨粒加剧了不锈钢带的磨损。泥沙渗入除了加剧磨损之外,更造成了金属软管不能再自由伸缩,即发生卡死现象。而金属软管部分区域卡死,也造成了其他区域的受力异常,更加速了此区域的断裂的发生。

      另外,本研究金属软管的断裂位置在接头附近( 靠近发动机一端) 的约第2 ~ 4扣处,而这个位置正处于振幅最大,振动最为频繁的区域内; 因此,其断裂的主要原因主要是振动和磨损造成的疲劳断裂。
      金属软管的结构是由双层304不锈钢薄带缠绕内扣而成,属于ASS结构,其钢带之间存在一定间隙,在振动过程中,相互接触的钢带摩擦磨损不可避免; 且车辆属于工程车,工作环境十分恶劣,行驶过程中泥浆、水、尘土等会逐渐带入金属软管的间隙处,成为摩擦副之间的磨粒,加剧磨损。当进入钢带间隙的泥沙等异物逐渐增多,最终会导致金属软管卡死。因此,防止金属软管发生类似失效的方法是: 第一,采用威斯法利DSS型软管,该软管特殊的结构可以防止泥沙渗入内部; 第二,适当加厚钢带的截面厚度,提高疲劳性能; 第三,不要将软管安装在车轮附近。


三、结论与建议

1) 金属软管为疲劳断裂,其断裂的主要原因是在振动情况下,钢带表面发生粘着磨损加磨粒磨损,磨损导致截面变薄后疲劳强度下降,而最终发生疲劳断裂; 外界泥沙等异物渗入金属软管间隙导致其发生卡死现象,这也是导致其断裂的次要原因。

2) 改进建议: 采用威斯法利DSS 型软管;适当增加钢带的厚度;不要将软管安装在车轮附近。