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[摘要] 一种轿车发动机连杆采用可锻铸铁GTS65 和/或球墨铸铁GGG70 制造，本文对这二种铸铁连杆材料的疲劳性能及其影响因素、疲劳断口和铸造缺陷和机械性能、金相组织、喷丸表面残余应力、缺口敏感性及脆性等进行了对比分析。
关键词：连杆 球墨铸铁 可锻铸铁 疲劳强度 脆性
1 前言
连杆是发动机中的关键零件，连杆材料应具有足够高的疲劳强度和冲击韧度。连杆一般采用中碳钢和中碳合金结构钢制造，如40Cr、40MnB。鉴于铸造法生产连杆的成本较锻造法低，20 世纪70 年代以来，为降低生产成本，珠光体可锻铸铁连杆先后应用于通用、Opel、VAUXHALL 等汽车公司的轿车发动机，成功地取代了部分锻钢连杆；之后，又采用球墨铸铁取代可锻铸铁，进一步降低生产成本。德国铸造业每年为欧洲汽车制造业提供铸铁连杆一千多万件[1]。
一种轿车发动机连杆采用可锻铸铁GTS65 和/或球墨铸铁GGG70 制造，本文对这二种铸铁连杆材料的疲劳性能及其影响因素、疲劳断口和铸造缺陷、机械性能和金相组织、喷丸表面残余应力、疲劳缺口敏感性及脆性等进行了对比分析。
2 疲劳性能
2.1 疲劳性能试验方法
发动机连杆要有足够的强度（疲劳强度），否则一旦失效，打坏发动机机体，造成巨大经济损失。但增加连杆强度，往往增加了连杆的重量，从而增加惯性力，造成曲轴和其它部件受力的增加，这是车用发动机所不能接受的。因此，在连杆生产和设计中，其疲劳强度至关重要。
连杆的疲劳性能试验有二种方法：一是发动机台架试验，试验结果准确可靠，这是发动机定型及可靠性检验不可替代的，但试验周期长成本高；二是通过高频疲劳试验机的疲劳试验，这种方法时间短、费用低，是对比试验、结构和工艺优化的理想试验方法，但不能完全模拟连杆在实际工作条件下的受力状态。
在高频疲劳试验机上进行连杆的疲劳试验，一般是在恒定平均载荷条件下测量连杆的疲劳极限载荷幅，根据连杆在发动机中的受力情况，疲劳试验应力比（载荷比）R＝–2～–1。本文所述疲劳试验载荷比R=–1，采用小子样升降法。小子样升降法疲劳试验可以在指定的疲劳寿命下较精确地确定材料（零件）的疲劳强度。根据铸铁特点，规定疲劳循环基数为5×106周次，本文用小子样升降法试验确定的是连杆的疲劳极限力[2]。
2.2 铸铁连杆疲劳性能
小子样升降法对一种轿车发动机的可锻铸铁和球墨铸铁连杆进行疲劳试验，得出的疲劳极限力如表1所示。
上述试验结果表明：球铁连杆的疲劳极限力要较可锻铸铁的高20%。铸铁连杆疲劳强度的分散性应引起注意，二种连杆均有较大的分散性，在有铸造缺陷时分散性更大，因此，在设计铸铁连杆时应采用可靠性设计方法考虑疲劳极限的分散性。
对于连杆疲劳试验，待连杆正常生产或工艺成熟后可采用试验时间较短、样品数较少的通过性试验控制连杆质量。根据表1 中99%存活率时球铁连杆的疲劳极限力，曾按±35 kN 对一批球墨铸铁连杆进行通过性试验，共试验8 件，其中1 件3×106 循环周次时断裂，其余7 件均未破坏，通过性试验与升降法试验结果相吻合。根据上述试验结果和连杆的安全系数，可以确定该种球墨铸铁连杆通过性疲劳试验的规范力为：R=–1，±32 kN。 表1 连杆疲劳极限力 （kN）
（图片）3 疲劳断口分析
可锻铸铁连杆断口面均没有明显的铸造缺陷，疲劳源起源于工字筋的中心，扫描电镜（SEM）分析表明（图1 所示），工字筋的中心部位是铸造凝固后的枝晶组织及枝晶间显微疏松、夹渣/夹杂物，疲劳起源于疏松、夹渣/夹杂物处。（图片）
a) 枝晶及枝晶间显微疏松 b) 显微疏松边的夹杂物及周围的疲劳裂纹
图1 可锻铸铁连杆疲劳断口 对球墨铸铁连杆疲劳试验后的断口进行分析，可将断口分为二类：一类在断口面上能观察到铸造缺陷，另一类无明显铸造缺陷。无铸造缺陷的球墨铸铁连杆断口，宏观观察判断疲劳源起源于杆身工字筋截面的中心处，SEM 分析表明在工字筋截面的中心处也存在缺陷，这些缺陷是不可避免的显微疏松（图2 所示），由于连杆没有大的铸造缺陷，疲劳源起始于这些缺陷处。有铸造缺陷的球墨铸铁连杆断口，疲劳源起源于铸造缺陷处，由于铸造缺陷的形状和位置各不相同，断口形态各有不同，图3 是杆身近表面有夹渣的连杆断口。（图片）
a) 中心疏松 b) 疏松处疲劳裂纹和疲劳条纹
图2 球墨铸铁连杆疲劳断口 （图片）
a) 近表面夹渣 b) 夹渣上部疏松及疲劳裂纹
图3 球墨铸铁连杆疲劳断口 总之，球墨铸铁连杆杆身工字筋中存在夹渣、气孔和疏松等铸造缺陷，铸造缺陷往往处于工字筋的表面和次表面，疲劳裂纹从这些缺陷处萌生和扩展；如果这些缺陷处于连杆杆身，则会降低连杆的疲劳强度；如果这些缺陷处于连杆的危险截面处，则会大幅度降低连杆的疲劳强度；不存在上述这些缺陷时，疲劳裂纹从工字筋中心的显微疏松处萌生和扩展。因此，为保证连杆有较高的疲劳强度，必须严格控制连杆铸件质量，要严格控制铁水温度、纯度和化学成分，要100%对铸件无损检测。
4 机械性能和金相组织
拉伸试样取自连杆工字筋部位，可锻铸铁和球铁连杆的抗拉强度分别为610～620MPa 和690～780MPa，断后伸长率均为2.0％～2.5%。可锻铸铁连杆强度较低，二者断后伸长率相当；二者抗拉强度的差异与疲劳强度的差异一致。
DIN 1692、GB/T 9440 均规定可锻铸铁GTS65-2（KTZ650-2）硬度为210～260HBS，DIN1693 标准规定球铁GGG70 硬度为240～280 HBS。低硬度有利于机加工，高硬度保证连杆的疲劳强度。二种连杆的实际硬度均处于中下限，这既保证了连杆的疲劳强度又有利于连杆的机加工。
从连杆大头取标准夏比V 形缺口冲击试样，可锻铸铁杆的冲击吸收功AkV平均为6.6J；几批球铁连杆的冲击吸收功AkV为3.3J、4.8J、3.9J、6.0J，可锻铸铁连杆的冲击吸收功较高。可锻铸铁连杆的冲击断口上有白亮区，白亮区SEM 观察主要是铸造凝固的枝晶组织，断口以韧窝为主，并有夹杂物。球铁连杆的冲击断口SEM 分析，断口是韧窝+解理。不同连杆之间断口面的韧窝面积差异同冲击功的差异相一致。
可锻铸铁连杆的基体是索氏体，其中有不同形态的夹杂,能谱分析确定夹杂物为MnS；石墨呈团絮状，按“JB2122-1977 铁素体可锻铸铁金相”检验，石墨形状级别2～3 级、石墨分布级别1～2 级，石墨颗数等级3～4 级。球铁连杆的基体组织是珠光体基体，珠光体65%以上，允许有少量渗碳体；按“GB9441－1988 球墨铸铁金相检验”标准，石墨球化级别1-3、石墨大小6～7 级。
5 表面喷丸强化
连杆表面喷丸强化后的残余应力分析表明，二种连杆的表面残余压应力相当，均在–320～–440MPa间，表面喷丸层影响区约有0.3mm，并且喷丸使铸件表面缺陷遮蔽和闭合；表面喷丸覆盖率不小于100%。
球铁的缺口敏感度较高，其表面铸造质量对疲劳强度有很大的影响，表面喷丸能消除铸件表面缺陷或使表面缺陷遮蔽和闭合，并在表层产生残余压应力，能延缓裂纹的萌生和扩展，强力喷丸能提高连杆疲劳极限20%以上，因此对连杆喷丸强化必不可少，不可忽视。
6 疲劳缺口敏感性
由于应力集中的缘故，缺口零件的疲劳强度要小于无缺口零件的疲劳强度，疲劳缺口敏感度q 是衡量它们之间差异的参数。疲劳缺口敏感度q 的表达式[3]为：
q=Kf-1/Kt-1
式中：Kf 是疲劳缺口系数，为无应力集中试样疲劳极限与有应力集中试样疲劳极限之比，Kt 是理论应力集中系数。q 越大，零件对缺口越敏感。铸铁的疲劳缺口敏感度要较钢的大，文献[4]报道的铸态球铁和珠光体可锻铸铁的q 分别为0.34 和0.17，铸态球铁的q 是可锻铸铁的2 倍。
根据EN1563–1997[5]标准列出的GJS–600–3 和GJS700–2 光滑试样和缺口试样的疲劳性能，计算得出球铁的q=0.38；文献[6]对不同铸铁的缺口疲劳性能进行了研究，据此计算得出可锻铸铁q=0.33～0.41，铸态球铁的q=0.34～0.43。
总的来说，球铁的疲劳缺口敏感度要较可锻铸铁的疲劳缺口敏感度高。由于铸铁是缺口敏感的材料，其疲劳缺口敏感度要高于钢，连杆工字筋部位的铸造缺陷特别是表面铸造缺陷提高了连杆的疲劳缺口敏感度。为此，减少、减小连杆工字筋部位的铸造缺陷特别是表面铸造缺陷对球铁连杆更为重要。
7 铸铁连杆脆性分析
连杆材料疲劳强度至关重要，但其冲击韧度（或脆性）同样应引起重视，下面从连杆受力情况来分析铸铁连杆脆性倾向的危害性。
连杆小头通过活塞销与活塞相连，其受活塞组的往复惯性力；连杆杆身在爆发上止点承受爆发产生的压力，在进排气上止点承受往复惯性力产生的拉力，即承受的是交变拉压力；连杆大头承受往复和旋转惯性力。此外，在连杆摆动平面内杆身还承受因连杆质量惯性力产生的横向弯曲力和由于加工或装配误差产生的纵向弯曲力，这二种力一般在安全系数中予以考虑。
就拉压疲劳应力而言，铸铁连杆完全可以满足设计要求。但当连杆脆性大（冲击韧度低）时，连杆的弯曲疲劳强度大大下降，其承受的一般在安全系数中予以考虑的纵向弯曲力成为主要矛盾，甚至会使连杆在装机试运行时就发生捣缸。
本文作者对一批脆性倾向很大（冲击韧度很低）的连杆进行了综合分析，认为Si 量过高是造成连杆脆性倾向的根本原因。对于球铁，含硅量一般在2.0％～2.8%，高的硅量降低常温冲击韧度,提高韧脆转变温度[7]；Si 量提高促使球铁的疲劳缺口敏感度增大，对于铁素体/珠光体铸态球铁，含Si1.8%时疲劳缺口系数Kf=1.57，含Si2.8%时Kf=1.76[8]；铸态珠光体球铁推荐的化学成分[9]：C 3.6％～3.8%、Si 2.1％～2.5%、Mn 0.3％～0.5%、P≤0.07%、S≤0.02%、Cu 0.5％～1.0%、Mo0％～0.2%，含Si 量小件取上限，终硅量尽量低。
总之，连杆在发动机中承受一定的弯曲力，这种应力对较脆的连杆是危险的，连杆的脆性倾向使弯曲疲劳强度大大下降，过高的Si 量是造成连杆脆性倾向的根本原因。因此，要严格控制连杆材料的化学成分和熔炼工艺，以保证连杆的韧性。
8 结论
1) 足够的疲劳性能是保证铸铁连杆在发动机中安全可靠运行的必要条件，二类铸铁连杆的疲劳性能足以保证在其发动机中安全可靠地工作；球铁连杆的疲劳极限力要较可锻铸铁的高20%左右，可以替代可锻铸铁连杆。在试生产阶段或产品开发阶段可采用小子样升降法精确地确定连杆的疲劳极限，待正常生产或工艺成熟后可采用试验时间较短、样品数较少的通过性试验控制连杆质量。
2) 球铁连杆铸造工艺和化学成分要严格控制，以保证连杆的韧性；球铁连杆杆身工字筋的表面和次表面的铸造缺陷，会降低连杆的疲劳强度。对连杆毛坯要有严格的缺陷检查，严格控制杆身部位的铸造缺陷，杆身部位的铸造缺陷应制定相应的控制标准。可锻铸铁连杆毛坯热处理时要控制表面脱碳；可锻铸铁连杆硬度较低，加工性较好。
3) 球铁的缺口敏感度高，表面喷丸能部分消除表面铸件缺陷或使表面缺陷遮蔽和闭合，并产生有利的残余压应力，延缓裂纹的萌生和扩展，连杆喷丸强化必不可少。
4) 铸铁连杆疲劳强度的分散性应引起注意，在设计铸铁连杆时应采用可靠性设计方法考虑疲劳强度的分散性。
参考文献
1 张国先等. 浅谈铝质材料在发动机连杆上的应用. 汽车技术，2001，（4）32～35
2 包雪鹏等. 发动机球墨铸铁连杆疲劳性能研究. 汽车技术2000，（3）28～30
3 赵少汴，王忠保编著. 抗疲劳设计——方法与数据. 北京：机械工业出版社， 1997
4 孟少农译 美国汽车工程学会钢铁技术委员会第四组疲劳设计委员会编. 零件疲劳设计手册. 北京：机械工业出版社， 1980
5 欧盟标准. EN1563-1997 Founding—Spheroidal graphite cast irons
6 Manfred Huech. Moderne Schwingfestigkeitsunterlagen für die bemessung von Bauteilen aus Sphaeoguss und Temperguss, von allem für den Fahrzeugbau. Georg Fischer G.m.b.H
7 British Cast Iron Research Association BCIRA 221-1
8 Hasse Stephan. Duktiles Gusseisen: Handbuck für Gusserzeuger und Gussverwender. Berlin: Siempelkamp Giesserei GmbH＆.Co., 1996
9 中国机械工程学会铸造专业委员会编. 铸造手册： 第1 册. 北京：机械工业出版社，1993
5/9/2005
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