船用柴油機(jī)拉缸故障失效分析

陸 慧, 孫明正

(上海材料研究所 檢測中心 上海市工程材料應(yīng)用與評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200437)

某船用柴油發(fā)動機(jī)在運(yùn)行時(shí)發(fā)生拉缸事故，經(jīng)停機(jī)拆解后發(fā)現(xiàn)其活塞裙存在裂紋，且缸套內(nèi)壁磨損嚴(yán)重并存在大量周向裂紋，為了查明該事故原因，筆者對其進(jìn)行了失效分析。圖1，2分別為拆解后活塞裙和缸套的宏觀形貌，活塞裙材料為4032鋁合金，缸套材料為灰鑄鐵。

圖1 活塞裙宏觀形貌

圖2 缸套宏觀形貌

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢驗(yàn)

活塞裙裂紋宏觀形貌如圖3所示，可見裂紋基本貫穿活塞裙。活塞裙斷口宏觀形貌如圖4所示，未見明顯塑性變形，放射紋特征明顯(見圖4箭頭處)，其斷口裂紋源區(qū)的宏觀形貌如圖5所示。

圖3 活塞裙裂紋宏觀形貌

圖4 活塞裙斷口宏觀形貌

圖5 斷口裂紋源區(qū)宏觀形貌

缸套內(nèi)表面宏觀形貌如圖6所示，可見裂紋數(shù)量較多，絕大部分裂紋沿周向分布，裂紋較直，同時(shí)存在明顯的縱向分布且與裂紋垂直的磨擦痕跡。

圖6 缸套內(nèi)表面宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分及力學(xué)性能測定

分別在活塞裙和缸套上取樣,進(jìn)行化學(xué)成分的定量分析，結(jié)果如表1，2所示。由表1可知，活塞裙和缸套的化學(xué)成分均符合技術(shù)要求。

表1 活塞裙的化學(xué)成分 %

在缸套上取樣,進(jìn)行拉伸性能測試，抗拉強(qiáng)度實(shí)測值為315 MPa，符合客戶提供的技術(shù)要求,不小于275 MPa。

表2 缸套的化學(xué)成分 %

1.3 斷口掃描電鏡分析

將活塞裙裂紋源區(qū)的樣品清洗后置于掃描電子顯微鏡(SEM)下進(jìn)行觀察，試樣裂紋源區(qū)微觀形貌如圖7所示，可見放射紋收斂于次表面處，放大觀察，該位置存在疏松缺陷，疏松缺陷微觀形貌如圖8所示。裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌如圖9所示，可見疲勞輝紋，這為疲勞斷裂的典型微觀特征，裂紋擴(kuò)展區(qū)也存在疏松缺陷。

圖7 裂紋源區(qū)微觀形貌

圖8 疏松缺陷微觀形貌

圖9 裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌

1.4 缸套內(nèi)表面掃描電鏡及能譜分析

將缸套裂紋試樣清洗后置于掃描電子顯微鏡下觀察，缸套內(nèi)表面微觀形貌如圖10所示，在內(nèi)表面上觀察到與裂紋方向大致垂直的摩擦痕跡。對缸套內(nèi)表面的摩擦痕跡進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)存在較高含量的鋁元素，說明缸套和活塞裙之間發(fā)生了黏著磨損，表面能譜分析結(jié)果如圖11所示。

圖10 缸套內(nèi)表面微觀形貌

圖11 缸套表面能譜分析位置及分析結(jié)果

1.5 金相分析

截取活塞裙裂紋源區(qū)處的剖面金相試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋及化學(xué)試劑浸蝕后置于金相顯微鏡下觀察，在裂紋源區(qū)可見疏松缺陷，以及由疏松缺陷引起的裂紋(見圖12)，其顯微組織為α(Al)+Si+Mg2Si+Al3Ni+極少量Fe。

圖12 活塞裙裂紋源區(qū)剖面顯微組織形貌

截取缸套裂紋剖面金相試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后置于金相顯微鏡下觀察，缸套內(nèi)表面剖面拋光態(tài)顯微組織形貌如圖13所示，可見缸套裂紋附近內(nèi)表面存在一層覆蓋物。對覆蓋物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖14所示，發(fā)現(xiàn)該覆蓋物成分存在較高含量的鋁元素。

圖13 缸套內(nèi)表面剖面拋光態(tài)顯微組織形貌

圖14 缸套內(nèi)表面覆蓋層能譜分析位置及分析結(jié)果

2 分析與討論

由宏觀檢驗(yàn)結(jié)果可知，活塞裙開裂面較為平整，未見塑性變形特征，從放射紋收斂情況來看，活塞裙的裂紋源均位于內(nèi)孔薄壁處，為點(diǎn)源特征；缸套內(nèi)表面裂紋大多為周向分布，內(nèi)表面上存在明顯與裂紋方向垂直的摩擦痕跡。從活塞裙斷口微觀形貌分析與金相分析結(jié)果可見，活塞裙裂紋源位于內(nèi)孔壁次表面處，該區(qū)域存在疏松缺陷；裂紋擴(kuò)展區(qū)可見疲勞輝紋，也存在疏松缺陷，說明活塞裙開裂是由內(nèi)孔次表面的疏松缺陷引起的疲勞開裂[1]。從缸套內(nèi)表面微觀形貌分析、能譜分析與金相分析結(jié)果可見，缸套表面摩擦痕跡明顯，且與裂紋方向垂直，缸套內(nèi)表面存在一層以鋁元素為主的覆蓋物，說明缸套與活塞裙發(fā)生了磨損，且存在材料遷移，為黏著磨損的典型特征。

活塞裙內(nèi)孔壁次表面存在疏松缺陷，材料疏松區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中點(diǎn)，活塞裙在工作環(huán)境中承受一定的交變應(yīng)力，在交變應(yīng)力作用下，活塞裙從疏松區(qū)域產(chǎn)生裂紋并以疲勞形式擴(kuò)展，最終發(fā)生大面積開裂。活塞裙開裂后，缸套與活塞裙之間間隙變小，導(dǎo)致兩者直接接觸擠壓，缸套與活塞裙之間相對運(yùn)動時(shí)，缸套內(nèi)表面與活塞裙外表面產(chǎn)生劇烈摩擦，發(fā)生黏著磨損[2]，活塞裙與缸套內(nèi)表面存在很大的摩擦力，引發(fā)缸套內(nèi)表面開裂，最終發(fā)生拉缸事故。

3 結(jié)論

活塞裙與缸套發(fā)生拉缸的原因是：由活塞裙內(nèi)孔壁次表面疏松缺陷引起活塞裙疲勞開裂，開裂后活塞裙與缸套配套間隙減小，活塞裙與缸套相對運(yùn)動時(shí)發(fā)生黏著磨損，最終發(fā)生拉缸事故。