摘 要:針對船用柴油機拉缸故障,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 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;疲勞裂紋;黏著磨損;拉缸
中圖分類號:TG115.5 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)02-0045-04
某船用柴油發(fā)動機在運行時發(fā)生拉缸事故,經(jīng) 停機拆解后發(fā)現(xiàn)其活塞裙存在裂紋,且缸套內(nèi)壁磨 損嚴重并存在大量周向裂紋,為了查明該事故原因, 筆者對其進行了失效分析。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
1.1 宏觀檢驗
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,進行拉伸性能測試,抗拉強度 實測值為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。對缸套內(nèi)表面的摩擦痕跡進行能譜分析,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。對覆蓋物進行能譜分析,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)域為應(yīng)力集中點,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動時,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 動時發(fā)生黏著磨損,最終發(fā)生拉缸事故。
參考文獻:
[1] 王榮.機械裝備的失效分析(續(xù)前)第3講 斷口分析 技術(shù)(上)[J].理化檢驗(物理分 冊),2016,52(10): 698-704.
[2] 陳玉珍,高玉周.GCr15鋼旋片式助力泵泵體磨損失 效分析[J].理化檢驗(物理分冊),2011,47(8):522- 523,526.
