基于滚轮浸渍裂纹的失效工程机制分析及磨削工艺优化

基于滚轮浸渍裂纹的失效工程机制分析及磨削工艺优化

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船用柴油机是船舶的心脏，柴油机的稳定性、可靠性、经济性对整个船舶行业乃至整个国民经济都有着重要影响。我国船用柴油机可靠性与国外发达国家的船用柴油机存在较大差距，尤其体现在船用柴油机关键零部件的生产质量和使用寿命方面。从上世纪末开始，国家已逐步重视船舶行业的发展，已将提高船用柴油机的可靠性作为重要目标。配气机构是柴油机重要机构之一[1]，配气机构主要由凸轮轴、滚轮、挺柱、摇臂、阀桥、气门等多个构件组成。

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滚轮是船用柴油机配气系统关键零部件之一，滚轮模型如图 1.1 所示。在船用柴油机中，凸轮轴产生偏心运动，滚轮与凸轮轴相配合，将凸轮轴的偏心运动传递给挺柱，挺柱推动摇臂控制气门的闭合。船用柴油机滚轮的制造流程为：锻造→预备热处理→机械加工→最终热处理→磨削→表面浸渍处理→涂减磨材料二硫化钼。

应力腐蚀开裂是指金属处于特定的侵蚀性环境中，在应力和腐蚀介质的共同作用下，在远低于屈服强度的条件下（最低可以为抗拉强度 σS的 5%～10%）突然地发生无形变预兆的腐蚀破坏[45]。组织因素、材料力学性能和介质环境为影响金属应力腐蚀的最主要因素。材料存在的拉应力是发生应力腐蚀的必要不充分条件，材料的压应力集中部位不会发生应力腐蚀失效。材料从进入腐蚀环境中，至材料发生应力腐蚀的时间称为断裂时间 tF，材料中拉应力的数值越小，tF数值越大。金属热处理残余应力分为热应力和金属相变应力。首先是金属热应力。金属在进行热处理时，表层和心部温度不同，金属在不同的温度下体积膨胀和收缩不同而导致产生应力，这种应力称为热应力。当金属加热结束进行冷却时，因内外温差产生的热应力更明显。

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金属冷却时，表层迅速降温，内部温度来不及降低。表层温度低而心部温度高，表面体积收缩大于心部导致表面产生拉应力心部产生压应力；当冷却进行，表面已经冷却到室温，心部未完全冷却而继续体积收缩，受到外层的阻碍，而使表层产生压应力心部产生拉应力。热应力为最终两种应力叠加而成。其次是金属相变应力。金属在加热到一定温度并进行冷却时，金属的金相组织会发生转变。对于同样的金属材料，奥氏体比容小于珠光体，珠光体的比容小于马氏体。

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当淬火冷却时，奥氏体转变为马氏体会发生约 2%～3%的体积膨胀，这种因金属相变发生体积变化而产生的应力称为相变应力（也称为组织应力）。通常相变应力的大小与金属发生相变区的温度、金属的冷却速度、金属形状和金属的化学成分等众多因素有重要关系。金属热处理后的残余应力就是由热应力和相变应力叠加而来即材料内应力，最终的应力状态由热应力和相变应力叠加后的应力状态决定。一般热应力起主要作用，工件表面受压应力，心部受拉应力。反之，则心部受压应力，工件表面受拉应力。