摘 要:針對(duì)船用柴油機(jī)拉缸故障,利用直讀光譜儀、光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、能譜儀等對(duì) 活塞裙以及缸套斷口的宏觀和微觀形貌特征、化學(xué)成分、金相組織和力學(xué)性能等進(jìn)行分析。結(jié)果表 明:活塞裙的薄壁孔存在疏松缺陷,這些缺陷引起活塞裙疲勞開裂,使得活塞裙與缸套配套間隙減 小,活塞裙與缸套產(chǎn)生黏著磨損,最終發(fā)生拉缸故障。

關(guān)鍵詞:船用柴油機(jī);疲勞裂紋;黏著磨損;拉缸

中圖分類號(hào):TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2022)02-0045-04

某船用柴油發(fā)動(dòng)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(duì)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。

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?；钊箶嗫诤暧^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。

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。

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。

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。

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。

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(duì)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。

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。

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(duì)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。

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(duì)運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn) 動(dòng)時(shí)發(fā)生黏著磨損,最終發(fā)生拉缸事故。

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<文章來源>材料與測試網(wǎng)> 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊 > 58卷 > 2期 (pp:45-48)>