车辆发动机气缸盖疲劳损伤与失效分析

气缸盖结构复杂，其上有进/排气门孔、喷油器孔、螺栓孔等，内部有一系列不规则形状的冷却水腔和进/排气道，横向和垂向分别与进/排气管和机身相连接。气缸盖工作条件恶劣，它的底面受燃气的高温、高压和腐蚀作用，水夹层受冷却水的腐蚀，且冷热不均，其他部分也因固紧螺栓而产生机械应力，受力复杂，因此它是一个较易损伤的结构件。其主要损伤形式有气缸盖裂纹、阀座损伤（阀座扭曲、磨损、裂纹等）。

1.气缸盖底面产生裂纹的原因

气缸盖火力面在发动机工作时直接接触燃气，而周围部分要么接触冷却水，要么通过气缸密封垫与缸体接触。气缸盖的最低温度位于外壁部分，最高温度则在火力面喷油嘴孔与燃烧室附近，这样，热流从纵向和横向向外流出，导致温度梯度从热中心开始向纵向和横向向外逐渐下降。气缸盖底面受热后，因其膨胀受到限制而产生压应力与压缩变形，当这些应力足够高时，就会引起压缩塑性流动，当作用超过一定时间后，就有可能导致压缩蠕变，而且变形速度很快，使材料内部产生热疲劳场并在气缸盖火力面的危险区域出现裂纹。因此，气缸盖底面的裂纹是由金属压缩蠕变与热疲劳造成的。

气缸盖火力面温度可达400～480℃，甚至可达500℃，而气缸盖铸铁材料在超过350℃时，其抗蠕变性将下降。如果在高温下维持一段时间，金属材料便将因蠕变而造成塑性变形产生残余拉应力。这种残余拉应力虽然不能超过发生蠕变时的初始应力，但由于长期受高温、高压作用，材料的弹性极限和疲劳极限都显著下降，在应力长期、反复作用下，材料就会发生疲劳裂纹。这在强化发动机上是一种典型的裂纹扩展形式。

气缸盖冷面（即面向冷却水的一面）偶尔也会发生裂纹，在运行中，当气缸盖底面因膨胀受限制而在热面上产生压应力的同时，冷面上无疑会引起相应的拉应力，当拉应力大到一定程度，冷面就会产生裂纹。

气缸盖外部有时也会产生裂纹，如图7－5所示。其基本原因也是热应力过大。但与底面裂纹产生的原因又有所区别，底面受热膨胀，使气缸盖受到很大的拉应力（尤其是在起动时更是如此），当拉应力过大时，则引起气缸盖外部的裂纹。

图7－5　缸盖外部裂纹

1，2—产生裂纹的部位

2.引起气缸盖底面裂纹的影响因素(www.xing528.com)

1）材料性能的影响

从导热性、抗蠕变性来说，气缸盖应选含碳量高的材料；但从能承受爆发压力、抗磨性方面考虑，则希望含碳量低一点。因此，应综合考虑。

2）加工工艺的影响

气缸盖铸件一定要经过退火处理，以消除铸造应力。

3）装配质量的影响

例如，气缸盖结合面接触不良，紧固不当而造成弯曲应力，产生裂纹。

4）结构设计的影响

在设计时，应减少气缸盖底的厚度（在强度允许范围内），降低温度（特别是降低温度过高区域内的温度）降低材料的热疲劳。

5）使用不当的影响

使用不当将造成热应力过高，而使气缸盖产生裂纹。例如，在冬天起动前未暖缸（特别是在寒冷的地区）；起动后急剧增加负荷，停车时过早中断冷却水循环；喷油不正常，造成雾化不良，燃烧温度过高；冷却水质不良（含油、空气、盐分、泥分较多）；气缸盖冷面生锈、水垢等引起导热不好，造成局部过热；等等。