تحليل تجربي و عددي رشد ترك خستگي در پيچ هاي كربونيزه شده سرسيلندر موتور بنزيني

Experimental and numerical analysis of fatigue crack growth in carbonized bolts of gasoline engine cylinder head

مطالعه در مورد رشد ترك خستگي پيچهاي كربونيزه شده سرسيلندر موتور بنزيني در دو بخش تجربي و عددي انجام گرديد. بخش تجربي مطالعه شامل تعيين تركيب شيميايي، خصوصيات كششي، سختيسنجي، بررسي ريزساختاري و بررسي سطح شكست بود. مشاهدات ميكروسكوپي الكتروني روبشي (SEM) از سطح شكست، خستگي را به عنوان عامل اصلي شكست زودرس پيچها با عمر تقريبي 8^10×1.44 سيكل معرفي نمود. ترك از ناحيه لايه سطحي كربونيزه پيچها شروع شده است كه ناخالصي هاي تركيبات اكسيدي و حفره به انتشار ترك تا شكست نهايي كمك كرده است. بخش عددي مطالعه شامل تحليل تنش و رشد ترك خستگي بود. تحليل تنش نشان داد كه حداكثر تنش ايجاد شده در پيچ ها حدود 4% بيشتر از مقدار استاندارد ميباشد. تمركز تنش بالا در ناحيه رزوه يكي از عوامل جوانه زني ترك ميباشد كه نيروي سيكلي فشار احتراق باعث گسترش ترك خستگي ميگردد. همچنين تحليل عددي خستگي نشان داد كه وجود ترك به عمق 0.12 ميليمتر منشاء شكست زودرس ميشود. مقايسه دو بخش تجربي و عددي نشان داد كه عمق ترك محاسبه شده با مشاهدات لايه اكسيدي ميكروسكوپهاي نوري و الكتروني روبشي مطابقت قابل قبولي دارند.

The study on the fatigue cracks growth of the carbonized bolts of the cylinder head in the gasoline engine was performed in two experimental and numerical sections. The experimental section of the study included chemical composition determination, tensile properties, hardness, microstructure, and fractography. Scanning electron microscope (SEM) observations of the fracture surface identified fatigue as the main cause of premature bolts failure with an approximate fatigue life of 1.44×10^8 cycles. The crack initiates from the carbonized surface layer of the bolts, where impurities of oxide compounds and cavities help to propagate the crack until final faracture. The numerical section of the study included stress analysis and fatigue crack growth. Stress analysis showed that the maximum stress created in the bolts is about 4% more than the standard value. High-stress concentration in the threaded zone is one of the factors in crack initiation that the cyclical force of combustion pressure has caused the propagation of fatigue cracks. Numerical analysis of fatigue also showed that the presence of cracks to a depth of 0.12 mm is the origin of premature failure. Comparison of the two experimental and numerical sections showed that the calculated crack depths are consistently consistent with the observations of the oxide layer of optical and scanning electron microscopes.