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(東風(fēng)商用車(chē)有限公司, 武漢 430056)

綜述

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油管常見(jiàn)失效形式分析

蔣雅雅,馮繼軍

(東風(fēng)商用車(chē)有限公司, 武漢 430056)

結(jié)合一些典型工程失效案例，介紹了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油管常見(jiàn)的失效形式，分析了引起各種失效形式的可能原因，并提出了相應(yīng)的預(yù)防改進(jìn)措施。結(jié)果表明：汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油管服役過(guò)程中的失效形式基本上都是高周疲勞開(kāi)裂引起穿孔進(jìn)而導(dǎo)致漏油,而高壓油管在其原材料質(zhì)量控制、制造、裝配、使用中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)的不當(dāng)，都可能會(huì)造成其疲勞開(kāi)裂失效。

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)； 高壓油管； 疲勞開(kāi)裂； 漏油; 失效分析

與傳統(tǒng)的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)核心零部件相比，發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油管長(zhǎng)期以來(lái)并不特別受到關(guān)注，然而統(tǒng)計(jì)表明，近年來(lái)有關(guān)高壓油管的失效案例不斷增多，其在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件失效總量所占的比重也已經(jīng)連年進(jìn)入前10位，并有不斷增加的趨勢(shì)。

發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油管是連接噴油泵與噴油器的重要零部件，承擔(dān)著給發(fā)動(dòng)機(jī)輸送高壓燃油的任務(wù)。隨著新的排放法規(guī)的實(shí)施，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放指標(biāo)的要求越來(lái)越嚴(yán)苛，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油壓力也因此有不斷提升的趨勢(shì)，導(dǎo)致高壓油管內(nèi)壁承受的高頻脈沖燃油壓力峰值不斷提高，使得其服役過(guò)程中的受力條件更加惡劣。此外，用于制造高壓油管的無(wú)縫鋼管目前幾乎都是從德國(guó)或日本進(jìn)口，國(guó)內(nèi)很少有合格的原材料無(wú)縫鋼管供應(yīng)商，這也成為制約高壓油管質(zhì)量提升的重要因素。

高壓油管服役過(guò)程中的失效形式基本上都是高周疲勞開(kāi)裂引起穿孔進(jìn)而導(dǎo)致油管漏油。實(shí)際使用過(guò)程中，導(dǎo)致其疲勞開(kāi)裂的原因主要有油管原材料缺陷、鐓頭工藝缺陷、裝配工藝不當(dāng)導(dǎo)致的磕碰、使用過(guò)程中發(fā)生微動(dòng)磨損等等。筆者結(jié)合近年來(lái)生產(chǎn)實(shí)際中遇到的一些案例，簡(jiǎn)要概述了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油管常見(jiàn)的失效形式及原因。

1 常見(jiàn)失效形式及原因

1.1高壓油管原材料內(nèi)表面缺陷

高壓油管的材料選擇主要需要考慮規(guī)格(內(nèi)孔尺寸和管壁厚度)、強(qiáng)度等級(jí)、內(nèi)孔表面質(zhì)量3個(gè)方面的要求。對(duì)于某一特定的零件，其規(guī)格、強(qiáng)度等級(jí)確定以后，內(nèi)孔表面質(zhì)量則是影響其性能的主要因素。在高壓油管制造過(guò)程中，其內(nèi)表面經(jīng)歷了復(fù)雜的拉拔變形過(guò)程，這一過(guò)程不可避免地會(huì)形成各種程度上的內(nèi)壁缺陷，其中最主要的是內(nèi)壁裂紋缺陷。生產(chǎn)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種內(nèi)壁裂紋缺陷絕大多數(shù)是由于管內(nèi)壁在變形過(guò)程中，因變形不均勻?qū)е滦纬傻?、?lèi)似折疊形式的缺陷。

目前，國(guó)際上對(duì)高壓油管內(nèi)壁質(zhì)量的控制標(biāo)準(zhǔn)是ISO 8535-1：2011《柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 高壓燃油噴射管用鋼管 第1部分：無(wú)縫冷拔單壁鋼管的要求》[1]，其中對(duì)內(nèi)壁裂紋缺陷的分級(jí)情況見(jiàn)表1。

對(duì)于燃油管內(nèi)壁裂紋缺陷等級(jí)，一般企業(yè)都會(huì)根據(jù)高壓油管的工作條件，在其企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中有明確的規(guī)定。目前，國(guó)內(nèi)普通汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油管控制的內(nèi)壁裂紋缺陷等級(jí)多采用Q級(jí)及以上。內(nèi)壁強(qiáng)化工藝是目前普遍采用的高壓油管內(nèi)表面處理方法，該方法是通過(guò)優(yōu)化管材表面應(yīng)力的分布，產(chǎn)生內(nèi)壓外拉的應(yīng)力狀態(tài)，可有效降低裂紋擴(kuò)展速率，不僅能夠提高燃油管的耐壓能力，而且可以降低疲勞試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)分散性[2]。

表1 ISO 8535-1:2011中內(nèi)表面缺陷分級(jí)要求Tab.1 Classification requirements for pipe internal surface defectsin ISO 8535-1:2011

最后，希望通過(guò)此次研究調(diào)查橫店劇組化妝師的當(dāng)今生存和發(fā)展現(xiàn)狀，能夠透過(guò)影視公司、制片人、導(dǎo)演等行業(yè)權(quán)威人士，讓他（她）們對(duì)橫店劇組化妝行業(yè)的生存狀態(tài)進(jìn)行分析，以及在他（她）們心中，如何才能真正成為一名優(yōu)秀的化妝師。也讓更多的熱愛(ài)化妝行業(yè)的人，能夠在職業(yè)道路上發(fā)展，合理規(guī)劃自己的人生軌跡。

內(nèi)壁裂紋缺陷會(huì)導(dǎo)致高壓油管疲勞裂紋由此起源，嚴(yán)重降低高壓油管的疲勞壽命，這種情況也是大部分高壓油管疲勞失效漏油的原因。

如圖1a)所示，某型發(fā)動(dòng)機(jī)在用戶(hù)使用過(guò)程中發(fā)生漏油。該高壓油管材料為PP600鋼(德國(guó)牌號(hào)，相當(dāng)于國(guó)內(nèi)牌號(hào)20鋼)，規(guī)格為φ8 mm×φ3.5 mm，硬度要求為260～290 HV，內(nèi)壁裂紋缺陷等級(jí)要求為Q級(jí)(參考JB/T 8120.1-2000)。在油管漏油位置的外表面可見(jiàn)一條縱向裂紋，標(biāo)記后將油管對(duì)剖，內(nèi)表面的裂紋更為明顯，內(nèi)表面肉眼可見(jiàn)裂紋長(zhǎng)約3 cm。打開(kāi)裂紋，觀(guān)察斷面形貌，可見(jiàn)有一個(gè)明顯的弧形區(qū)域，該區(qū)域呈灰黑色，斷面平坦細(xì)致，具有疲勞開(kāi)裂的宏觀(guān)特征，在斷面與油管內(nèi)表面交界處有一條隱約可見(jiàn)的線(xiàn)狀痕跡，見(jiàn)圖1b)。

圖1 高壓油管縱向裂紋及其斷口形貌Fig.1 Morphology of longitudinal crack and fracture of the high-pressure fuel injection pipe: a) macro morphology of the failure pipe; b) macro morphology of fracture of the pipe; c) micro morphology of fracture of the pipe; d) morphology of the fatigue propagation zone; e) morphology of the final fracture zone

將斷口清洗后在掃描電鏡(SEM)下觀(guān)察斷面的微觀(guān)形貌，在宏觀(guān)觀(guān)察中看到線(xiàn)狀痕跡所對(duì)應(yīng)的斷面位置上看到一條寬約0.2 mm的帶狀痕跡，這個(gè)區(qū)域的斷口微觀(guān)形貌與其他區(qū)域不同，并有明顯的分界線(xiàn)，見(jiàn)圖1c)。該處的斷面上覆蓋有較多的腐蝕產(chǎn)物，除此以外的斷口其他區(qū)域有明顯的疲勞輝紋，見(jiàn)圖1d)。后打開(kāi)的斷口形貌如圖1e)所示，主要為韌窩。在帶狀區(qū)域進(jìn)行微區(qū)成分分析，結(jié)果顯示表面有鋅等元素，據(jù)此判斷該條帶是在油管成形工藝中產(chǎn)生的原始裂紋，這是造成該高壓油管疲勞開(kāi)裂的直接原因。

在裂紋附近取油管的周向試樣，觀(guān)察油管的顯微組織及內(nèi)表面質(zhì)量。油管基體顯微組織為鐵素體+珠光體；在油管內(nèi)表面裂紋對(duì)應(yīng)位置觀(guān)察到的裂紋形態(tài)見(jiàn)圖2，可見(jiàn)此裂紋由兩部分組成，內(nèi)壁側(cè)的初始裂紋開(kāi)口較寬，后擴(kuò)展的疲勞裂紋在初始裂紋的尾端萌生并擴(kuò)展，其中初始裂紋深度約0.20 mm?？梢?jiàn)裂紋形態(tài)與掃描電鏡下觀(guān)察到的斷口形貌特征相吻合。

圖2 失效高壓油管的顯微組織及內(nèi)表面裂紋形貌Fig.2 Morphology of microstructure and inner surface cracks of the failure high-pressure fuel injection pipe: a) initial crack on inner surface; b) fatigue crack originating from the initial crack

由圖2可以明顯看到，原始裂紋尾部顯微組織流線(xiàn)有明顯的折疊形態(tài)，說(shuō)明它是在油管內(nèi)壁成形過(guò)程中產(chǎn)生的，且其缺陷級(jí)別遠(yuǎn)大于Q級(jí)要求，這是造成該高壓油管疲勞開(kāi)裂導(dǎo)致漏油的根本原因。

1.2鐓頭和桿部過(guò)渡處的加工質(zhì)量不良

高壓油管鐓頭加工工藝過(guò)程復(fù)雜，變形量大，其內(nèi)外表面金屬都經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈的變形流動(dòng)，如若工藝不當(dāng)，都可能出現(xiàn)金屬流線(xiàn)曲折甚至出現(xiàn)冷折疊缺陷。圖3所示是某一高壓油管鐓頭內(nèi)外表面金相檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的冷折疊形貌。

鐓頭處的各種工藝缺陷，在使用過(guò)程中將會(huì)成為疲勞裂紋的起源，導(dǎo)致高壓油管開(kāi)裂漏油。因此，各企業(yè)都會(huì)在其內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)此缺陷形態(tài)加以要求，主要是對(duì)鐓頭冷折疊裂紋的深度加以要求。

圖3 鐓頭內(nèi)外表面冷折疊缺陷形貌Fig.3 Morphology of cold folding defect on a) inner surface and b) outer surface of the upsetting header

某型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)試驗(yàn)至31 h后，發(fā)現(xiàn)高壓油管漏油而停止試驗(yàn)。該高壓油管材料牌號(hào)為ST52.4(德國(guó)牌號(hào))，管件規(guī)格為φ6.4 mm×2.2 mm。高壓油管和兩端鐓頭外觀(guān)如圖4a)所示。將高壓油管兩端鐓頭部位取下，用線(xiàn)切割對(duì)剖，可見(jiàn)鐓頭與桿部圓角過(guò)渡處存在一條長(zhǎng)約9 mm的裂紋，如圖4b)所示。打開(kāi)裂紋，可見(jiàn)斷口呈淺灰色，斷面較平坦，裂紋從高壓油管外表面起源，向內(nèi)壁擴(kuò)展，并且已向內(nèi)表面裂穿，如圖4c)所示。

掃描電鏡下觀(guān)察，斷口源區(qū)低倍形貌如圖5a)所示，可見(jiàn)較多的疲勞臺(tái)階，說(shuō)明為周向起源的疲勞開(kāi)裂，如圖5b)所示。斷口的疲勞特征如圖5c)所示。

圖4 失效高壓油管及其裂紋和斷口形貌Fig.4 Morphology of the failure high-pressure fuel injection pipe, crack and fracture: a) morphology of the failure pipe; b) morphology of the cracking position; c) morphology of the fracture

圖5 失效高壓油管斷口微觀(guān)形貌Fig.5 Micro morphology of fracture of the failure high-pressure fuel injection pipe: a) fracture morphology at low magnification; b) morphology of the fatigue source zone; c) morphology of the fatigue propagation zone; d) morphology of microcracks on the surface

在掃描電鏡下觀(guān)察鐓頭斷口附近表面形貌，此處為鐓頭與桿部過(guò)渡處，可見(jiàn)在此處存在較多金屬擠壓變形流動(dòng)痕跡，并且形成了微裂紋，這些微裂紋應(yīng)為加工過(guò)程中形成的，如圖5d)所示。高壓油管鐓頭與桿部過(guò)渡處是受力較大的部位，此處形成的加工微裂紋大大增加了高壓油管發(fā)生疲勞開(kāi)裂的傾向。

高壓油管兩端鐓頭的顯微組織形貌如圖6所示，均為鐵素體+珠光體。由圖6可見(jiàn)，鐓頭處存在明顯的冷折疊缺陷，這是導(dǎo)致該高壓油管疲勞裂紋起源的直接原因。

1.3高壓油管外表面“夾雜物”缺陷

目前，國(guó)內(nèi)高壓油管管材幾乎都是從國(guó)外進(jìn)口，而目前相關(guān)的ISO標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)標(biāo)中，都沒(méi)有對(duì)管外表面微觀(guān)質(zhì)量進(jìn)行明確的規(guī)定。近年來(lái)，多次出現(xiàn)了疲勞裂紋由油管外表面類(lèi)似夾雜物缺陷處起源，導(dǎo)致油管開(kāi)裂漏油的案例。甚至，還多次發(fā)生過(guò)因?yàn)檫@種外表面類(lèi)似夾雜物缺陷導(dǎo)致在油管鐓包加工過(guò)程中發(fā)生開(kāi)裂的現(xiàn)象。而對(duì)于這種外表面類(lèi)似夾雜物的缺陷，到目前為止還未見(jiàn)相關(guān)的研究。下面通過(guò)具體案例對(duì)此進(jìn)行介紹。

圖6 鐓頭的顯微組織與冷折疊缺陷形貌Fig.6 Morphology of microstructure and cold folding defect of the upsetting header: a) at low magnification; b) at high magnification

某型試驗(yàn)車(chē)在進(jìn)行寒區(qū)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生高壓油管漏油，經(jīng)檢查發(fā)動(dòng)機(jī)一缸高壓油管油軌端缸體內(nèi)側(cè)油管折彎處漏柴油，車(chē)輛行駛總里程46 000 km。失效高壓油管宏觀(guān)形貌見(jiàn)圖7a)，其中黑色箭頭所指為發(fā)生漏油的部位。將裂紋打開(kāi)，斷口形貌如圖7b)所示，可見(jiàn)斷面平坦，開(kāi)裂部位已經(jīng)貫穿油管壁厚。

掃描電鏡下裂紋源區(qū)形貌如圖8a)所示，可見(jiàn)裂紋起源在振動(dòng)應(yīng)力最大部位，但局部為一線(xiàn)源，源區(qū)存在多個(gè)疲勞臺(tái)階。圖8b)所示為源區(qū)局部放大形貌，可見(jiàn)裂紋源區(qū)的每一臺(tái)階內(nèi)，疲勞裂紋各自獨(dú)立萌生、擴(kuò)展，最后匯合成為一線(xiàn)源。圖8c)所示為疲勞擴(kuò)展區(qū)形貌，可見(jiàn)疲勞輝紋和二次裂紋。

圖7 失效高壓油管及斷口宏觀(guān)形貌Fig.7 Macro morphology of a) the failure high-pressure fuel injection pipe and b) the fracture

圖8 失效高壓油管斷口微觀(guān)形貌Fig.8 Micro morphology of fracture of the failure high-pressure fuel injection pipe: a) crack source zone; b) source zone local magnification; c) fatigue propagation zone

觀(guān)察斷口側(cè)面，如圖9所示，可見(jiàn)油管外表面分布有不規(guī)則的龜裂狀裂紋，其中疲勞臺(tái)階與這種微裂紋有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明裂紋起源與此有關(guān)。

觀(guān)察油管截面顯微組織，如圖10所示，基體顯微組織為鐵素體+珠光體。油管表面存在一層厚約20 μm的脫碳層，脫碳層中分布有灰色類(lèi)似夾雜物形態(tài)的物質(zhì)。這一分布于表面的灰色相，既非裂紋，也無(wú)法根據(jù)通常意義的夾雜物形態(tài)進(jìn)行分類(lèi)，需要進(jìn)一步研究分析。

圖11a)和11b)是該類(lèi)似夾雜物的掃描電鏡形貌,可見(jiàn)這些物質(zhì)都分布在表面層，多數(shù)貫通到最外層，且割裂基體并導(dǎo)致基體在變形時(shí)產(chǎn)生裂紋，這與圖9的龜裂裂紋相對(duì)應(yīng)。圖11c)是基體組織的能譜(EDS)分析結(jié)果，圖11d)是圖11b)中白色箭頭所指的灰色物質(zhì)能譜分析結(jié)果?？梢?jiàn)油管基體成分主要為鐵、錳等(鋅和磷為表面鍍鋅層成分)；而灰色物質(zhì)成分非常復(fù)雜，除了基體成分，還含有硅、釩、鉻等元素。

圖9 斷口側(cè)面微裂紋形貌Fig.9 Morphology of microcracks on side surface of the fracture: a) morphology of side surface of the fracture; b) morphology of cracks on the side surface

圖10 油管顯微組織及表面類(lèi)似夾雜物形貌Fig.10 Morphology of microstructure and the surface inclusion-like substance of the pipe: a) polishing state; b) etching state

圖11 灰色類(lèi)似夾雜物相的SEM形貌與EDS分析結(jié)果Fig.11 SEM morphology and EDS analysis results of the gray inclusion-like substance: a) SEM morphology of the inclusion-like substance; b) EDS analysis position; c) EDS spectrum of the matrix; d) EDS spectrum of the inclusion-like substance

由上述結(jié)果推測(cè)，分布于油管表層的這層物質(zhì)，可能來(lái)源于管材成形過(guò)程中，模具表面氧化皮脫落然后被壓入油管表面，再在后期變形過(guò)程中被擠入、碾碎、壓裂，分布于管壁外表面。由于目前國(guó)內(nèi)并沒(méi)有高壓油管的加工線(xiàn)，其他類(lèi)似的管材加工過(guò)程也未見(jiàn)有類(lèi)似報(bào)道，因此對(duì)上述類(lèi)似夾雜物物質(zhì)來(lái)源的推測(cè)是否正確，目前尚無(wú)法驗(yàn)證。

根據(jù)上述分析，高壓油管表面的類(lèi)似夾雜物缺陷是導(dǎo)致其疲勞開(kāi)裂的根本原因。

由于高壓油管表面通常會(huì)有一層鍍鋅層，從外觀(guān)無(wú)法檢查此類(lèi)缺陷，且現(xiàn)有的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也未要求對(duì)這類(lèi)缺陷進(jìn)行檢驗(yàn)、預(yù)防。有鑒于此，對(duì)油管外表面質(zhì)量的控制是非常必要的，目前相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制訂正在進(jìn)行中。

2 結(jié)束語(yǔ)

高壓油管的開(kāi)裂失效涉及到的因素復(fù)雜多變。高壓油管通過(guò)壓力波將燃油以一定的壓力和速率輸送到噴油器，油管的長(zhǎng)度、內(nèi)徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射特性有著不可忽視的影響，因此設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)油管管材的選擇、油管形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)等都非常重要，不可隨意更改。高壓油管在工作中經(jīng)受來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的受迫振動(dòng)以及內(nèi)部高壓油對(duì)油管的脈動(dòng)沖擊，受力環(huán)境相當(dāng)惡劣。然而，實(shí)際工程中使用的高壓油管，因?yàn)樵O(shè)計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致高壓油管失效的情況很少出現(xiàn)，而因?yàn)橛凸軆?nèi)在質(zhì)量、裝配、使用不當(dāng)導(dǎo)致的開(kāi)裂失效則頻頻發(fā)生。對(duì)這些失效案例進(jìn)行分析，找出導(dǎo)致失效的原因，并提出改進(jìn)措施，修訂相關(guān)企業(yè)質(zhì)量?jī)?nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)預(yù)防此類(lèi)事故的重復(fù)發(fā)生，降低產(chǎn)品索賠率，甚至降低汽車(chē)火災(zāi)事故的發(fā)生等，都具有重要意義。

[1] ISO 8535-1:2011 Diesel engines-Steel tubes for high-pressure fuel injection pipes-Part 1:Requirements for seamless cold-drawn single-wall tubes[S].

[2] 黃立賢,李全,楊鵬,等.高壓油管自增強(qiáng)處理[J].柴油機(jī),2009,31(2):45-47,54.

AnalysisonCommonFailureModesofHigh-PressureFuelInjectionPipesinAutomobileEngines

JIANGYaya,FENGJijun

(Dongfeng Commerical Vehicle Co., Ltd., Wuhan 430056, China)

Combined with some typical engineering failure cases, the common failure modes of high-pressure fuel injection pipes of automobile engines were introduced, the possible causes of various failure modes were analyzed, and some corresponding improvement measures were put forward. The results show that the failure mode of the high-pressure fuel injection pipes was mainly high cycle fatigue cracking which resulted in perforation and fuel leakage. Any improper operation in the processes including quality control of raw materials, manufacture, assembly and use, all might cause fatigue cracking failure.

automotive engine; high-pressure fuel injection pipe; fatigue cracking; fuel leakage; failure analysis

TG115.21

A

1001-4012(2017)10-0725-06

10.11973/lhjy-wl201710007

2016-10-18

蔣雅雅(1979-),女，助理工程師,碩士，主要從事質(zhì)量控制與失效分析工作

馮繼軍(1965-)，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事失效分析工作,fengjijun@dfcv.com.cn