應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)缸套與活塞斷裂失效分析

馬小明，趙 敏

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州510640）

0 引 言

某單位的一臺應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)在累計運(yùn)行了約700h后發(fā)生機(jī)體開裂，經(jīng)現(xiàn)場勘察，發(fā)現(xiàn)2只活塞發(fā)生斷裂且柴油機(jī)的部分機(jī)殼被擊穿，活塞連桿斷裂。其中活塞裙和活塞頭損壞情況最嚴(yán)重，活塞和缸套解體成大小不一的碎片，活塞的材料為EN AC－AL Si17Cu4Mg，缸套的材料為鉻鉬銅鑄鐵。為分析活塞與缸套失效的原因，作者對現(xiàn)場提取的活塞和缸套碎片進(jìn)行了理化檢驗與分析。

1 理化檢驗及結(jié)果

1.1 斷口宏觀形貌

將從現(xiàn)場提取的活塞與缸套碎片依據(jù)材料、壁厚、形狀的差異進(jìn)行宏觀分類，按碎片部位和斷口外觀形貌進(jìn)行還原性組對，并對缸套碎片逐一進(jìn)行編號（圖1），按照其受到的撞擊次數(shù)登記造表，目的是通過對碎片及斷口觀察，分析碎片產(chǎn)生過程及失效的次序［1］。

宏觀分析發(fā)現(xiàn)，缸套大部分碎片表面存在因拉缸造成的磨損和犁溝痕跡，機(jī)殼碎片色澤較深，無明顯塑性變形，斷口呈宏觀脆性斷裂特征，機(jī)殼內(nèi)表面存在撞擊產(chǎn)生的凹坑；活塞連桿發(fā)生扭曲，表明拉缸造成活塞卡死，連桿運(yùn)動受阻產(chǎn)生變形。由圖2可見，活塞碎片的斷口呈撕裂形貌，個別處存在疑似疲勞斷口的宏觀條紋，但條紋間區(qū)域較為粗糙，表明碎片受力方向如圖2中箭頭所示；距離活塞頭越近，該部位撕裂越明顯，并存在層狀剝落；活塞碎片的斷口存在清晰的人字形條紋，條紋收縮端指向裂紋的起源處，條紋擴(kuò)散端為裂紋的擴(kuò)展方向［2］；活塞頭存在明顯的半圓弧形氣門撞擊痕跡。

初步判斷柴油機(jī)在定期保養(yǎng)性運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，氣門與活塞頂部曾發(fā)生碰撞，導(dǎo)致裂紋從碰撞處開裂，呈現(xiàn)宏觀階梯狀形貌，裂紋擴(kuò)展并在活塞頭密封槽處交叉。

1.2 曲軸箱潤滑油含水量

從現(xiàn)場曲軸箱提取一瓶潤滑油，通過過濾分離法發(fā)現(xiàn)潤滑油中水分含量很高。潤滑油系統(tǒng)的含水量是一個重要指標(biāo)，潤滑油中含水量超標(biāo)會造成潤滑油黏度降低，難以形成有效潤滑油膜；另一方面，活塞環(huán)與缸套間的間隙應(yīng)盡可能小，否則接觸表面易超負(fù)荷。在沒有形成有效潤滑油膜的情況下，缸套表面與活塞環(huán)工作面直接接觸而劇烈摩擦，產(chǎn)生大量的摩擦熱，工作表面的溫度急劇上升，導(dǎo)致兩個摩擦表面產(chǎn)生熔接粘附，最終造成拉缸。

1.3 化學(xué)成分

缸套與活塞碎片的化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，2。缸套材料為鑄鐵，對比文獻(xiàn)［3］汽缸套用耐磨鑄鐵化學(xué)成分可知，缸套材料中磷含量偏高，銅含量偏低。磷屬于有害元素，會增加鋼的冷脆性，降低塑性，使冷彎性能變差［4］。活塞的材料為EN AC－Al Si17Cu4Mg，將檢測結(jié)果與DIN EN 1706－2010標(biāo)準(zhǔn)相比可知硅、鎳、鐵含量略偏高。

表1 缸套化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of the cylinder liner（mass）%

表2 活塞化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.2 Chemical composition of the piston（mass）%

1.4 顯微組織

根據(jù)GB 13298－1991《金屬顯微組織檢驗方法》分別從活塞和缸套碎片中切取金相試樣，然后對試樣進(jìn)行高精度拋光。先觀測浸蝕前的組織形貌，之后用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液浸蝕缸套金相試樣。活塞金相試樣通過質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%NaOH水溶液浸蝕后，用體積分?jǐn)?shù)30%HNO3水溶液進(jìn)行中和，以去除表面氧化膜。所有制備的金相試樣采用DMM－400C型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行低倍檢驗和顯微組織觀察。

1.4.1 缸 套

由圖3（a）可見，缸套材料中存在大量網(wǎng)狀石墨與短片狀石墨，網(wǎng)狀石墨與短片狀石墨分布均勻，既有初生的石墨，又有細(xì)小短片的共晶石墨共存。根據(jù)GB／T 7216－2009《灰鑄鐵金相檢驗》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，該組織為F型石墨，石墨長度相當(dāng)于5級。由圖3（b）可見，灰色（部分呈黑色）片狀組織為石墨，基體為層狀珠光體及白色鐵素體［5］。根據(jù)GB／T 7216－2009《灰鑄鐵金相檢驗》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對珠光體數(shù)量分8級進(jìn)行評定，被評為8級。

F型石墨具有良好的耐磨性能，石墨長度為5級，表明石墨長度較短，而鑄鐵的抗彎和抗拉性能隨石墨長度的減小而增大，故缸套有較好的抗彎和抗拉性能。金相檢驗表明缸套組織無明顯缺陷。

1.4.2 活 塞

從圖4（a）可見，活塞為過共晶鋁硅合金，顯微組織由粗大片狀多角形的初晶硅和粗針狀的共晶硅所組成，為典型鑄造鋁硅合金未變質(zhì)處理的組織。根據(jù)JB／T 6289－2005《內(nèi)燃機(jī)鑄造鋁活塞金相檢驗標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，組織評定為5級，級別大于4為不合格。由圖4（b）可見，組織中有灰黑色的帶狀雜質(zhì)。該帶狀雜質(zhì)由密集的鐵相雜質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成，呈一定方向覆蓋在基體表面。

根據(jù)上述檢驗標(biāo)準(zhǔn)，共晶鋁硅合金（鈉鹽變質(zhì)）應(yīng)為細(xì)小的α－固溶體和硅的共晶組織，共晶硅應(yīng)是小點(diǎn)狀及細(xì)小條狀，不得有明顯變質(zhì)不良的條狀硅，大塊的初晶硅，或粗大的α－固溶體存在，更不允許有過燒及裂紋等現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，斷裂活塞組織存在組織缺陷，降低了活塞的力學(xué)性能。

1.5 斷口微觀形貌

選取缸套和活塞的不同位置的碎片經(jīng)超聲波反復(fù)清洗，置于掃描電子顯微鏡下進(jìn)行微觀斷口分析。由圖5可見，缸套碎片斷口表面存在微裂紋，呈泥塊狀形貌，并附著少量球狀氧化物，局部可觀測到完整的晶體解理平面表明該斷口屬于脆性斷口；晶內(nèi)密布的二次裂紋，類似剝落特征，方向性不明顯。

由圖6可見，活塞碎片的斷裂介于脆性和韌性之間；斷口存在完整的剝落晶粒，剝落處形成的凹坑內(nèi)存在大小不一的淺色球狀氧化物，氧化物沿著凹坑壁呈絮狀分層填充；裂紋集中分布，有明顯的粉碎形貌；微裂紋擴(kuò)展構(gòu)成臺階特征，有平整的晶粒面，沿晶擴(kuò)展。

1.6 斷口的能譜

對內(nèi)表面磨損、撞擊嚴(yán)重的缸套碎片的內(nèi)表面及活塞碎片外表面進(jìn)行能譜分析，試驗儀器為HITACHI S3700型掃描電子顯微鏡附帶能譜儀，其分辨率為3nm，放大倍率為6～300 000倍。分析結(jié)果如下：（1）缸套碎片內(nèi)表面存在較高含量的鋁和硅元素，活塞碎片外表面也存在大量的鐵元素，其含量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于化學(xué)成分分析中的元素含量，可見活塞和缸套摩擦表面存在熔接粘附。（2）活塞碎片不同位置鐵元素含量明顯不同，表明活塞曾受到氣門嚴(yán)重撞擊。

表3 缸套、活塞能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.3 EDS results of the cylinder liner and the piston（mass）%

1.7 硬 度

使用 MVC－1000A1／MVC－1000D1型顯微硬度計對缸套與活塞試樣進(jìn)行硬度檢驗，分別取10點(diǎn)測試平均值。結(jié)果表明，活塞的硬度為124.8HV，對應(yīng)的布氏硬度約為119.0HB，符合DIN EN 1706－2010標(biāo)準(zhǔn)中EN AC－Al Si17Cu4Mg的硬度范圍為90～125HB的要求。缸套的硬度為226.6HV，對應(yīng)的布氏硬度約為215.6HB，符合文獻(xiàn)［3］缸套用耐磨鑄鐵的力學(xué)性能及用途表中缸套硬度范圍應(yīng)為202～255HB的要求。

2 斷裂原因分析

綜上所述，活塞與缸套的失效過程如下：由于活塞材質(zhì)不合格，存在組織缺陷，造成性能下降，在工作中因受載而先破裂，加之缸套的潤滑不良產(chǎn)生拉缸，促進(jìn)了活塞的解體，產(chǎn)生的碎片撞擊缸套，造成后者破裂。最終導(dǎo)致了該柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)生機(jī)損事故。

3 結(jié)論與建議

（1）失效原因為活塞所用共晶鋁硅合金未經(jīng)變質(zhì)處理，造成性能不佳所致。同時缸套潤滑條件不良，產(chǎn)生拉缸現(xiàn)象，加速了活塞的解體，產(chǎn)生了活塞碎片，進(jìn)一步撞擊缸套造成機(jī)損事故。

（2）建議從活塞、缸套的選材、制造、質(zhì)量保證、監(jiān)測、維修等多方面提高技術(shù)水平，確保活塞質(zhì)量。另外，潤滑油應(yīng)經(jīng)檢驗合格后方能使用，并應(yīng)定期跟蹤監(jiān)測。

［1］馬小明，高立，陳寧璋.柴油發(fā)電機(jī)組活塞及缸套斷裂失效分析［J］.機(jī)械制造，2004，42（12）：64－66.

［2］廖景娛，劉正義.金屬構(gòu)件失效分析［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［3］劉勝新.新編鋼鐵材料手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［4］姜錫山.特殊鋼缺陷分析與對策［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［5］任頌贊，張靜江，陳質(zhì)如，等.鋼鐵金相圖譜 ［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2003.