分享：船用柴油机拉缸故障失效分析
陆 慧,孙明正
(上海材料研究所 检测中心 上海市工程材料应用与评价重点实验室,上海 200437)
摘 要:针对船用柴油机拉缸故障,利用直读光谱仪、光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪等对 活塞裙以及缸套断口的宏观和微观形貌特征、化学成分、金相组织和力学性能等进行分析。结果表 明:活塞裙的薄壁孔存在疏松缺陷,这些缺陷引起活塞裙疲劳开裂,使得活塞裙与缸套配套间隙减 小,活塞裙与缸套产生黏着磨损,最终发生拉缸故障。
关键词:船用柴油机;疲劳裂纹;黏着磨损;拉缸
中图分类号:TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)02-0045-04
某船用柴油发动机在运行时发生拉缸事故,经 停机拆解后发现其活塞裙存在裂纹,且缸套内壁磨 损严重并存在大量周向裂纹,为了查明该事故原因, 笔者对其进行了失效分析。图1,2分别为拆解后活 塞裙和缸套的宏观形貌,活塞裙材料为 4032 铝合 金,缸套材料为灰铸铁。
1 理化检验
1.1 宏观检验
活塞裙裂纹宏观形貌如图3所示,可见裂纹基 本贯穿活塞裙。活塞裙断口宏观形貌如图4所示,未见明显塑性变形,放射纹特征明显(见图4箭头 处),其断口裂纹源区的宏观形貌如图5所示。
缸套内 表 面 宏 观 形 貌 如 图 6 所 示,可 见 裂 纹 数量较多,绝 大 部 分 裂 纹 沿 周 向 分 布,裂 纹 较 直, 同时存 在 明 显 的 纵 向 分 布 且 与 裂 纹 垂 直 的 磨 擦 痕迹。
1.2 化学成分及力学性能测定
分别在活塞裙和缸套上取样,进行化学成分的 定量分析,结果如表1,2所示。由表1可知,活塞裙 和缸套的化学成分均符合技术要求。
在缸套上取样,进行拉伸性能测试,抗拉强度 实测值为315 MPa,符合客户提供的技术要求,不 小于275 MPa。
1.3 断口扫描电镜分析
将活塞裙裂纹源区的样品清洗后置于扫描电子 显微镜(SEM)下进行观察,试样裂纹源区微观形貌 如图7所示,可见放射纹收敛于次表面处,放大观 察,该位置存在疏松缺陷,疏松缺陷微观形貌如图8 所示。裂纹扩展区微观形貌如图9所示,可见疲劳 辉纹,这为疲劳断裂的典型微观特征,裂纹扩展区也 存在疏松缺陷。
1.4 缸套内表面扫描电镜及能谱分析
将缸套裂纹试样清洗后置于扫描电子显微镜下 观察,缸套内表面微观形貌如图10所示,在内表面 上观察到与裂纹方向大致垂直的摩擦痕迹。对缸套内表面的摩擦痕迹进行能谱分析,发现存在较高含 量的铝元素,说明缸套和活塞裙之间发生了黏着磨 损,表面能谱分析结果如图11所示。
1.5 金相分析
截取活塞裙裂纹源区处的剖面金相试样,经镶 嵌、磨抛及化学试剂浸蚀后置于金相显微镜下观察, 在裂纹源区可见疏松缺陷,以及由疏松缺陷引起的 裂纹(见图12),其显微组织为α(Al)+Si+Mg2Si+ Al3Ni+极少量 Fe。
截取缸套裂纹剖面金相试样,经镶嵌、磨抛后置于 金相显微镜下观察,缸套内表面剖面抛光态显微组织 形貌如图13所示,可见缸套裂纹附近内表面存在一层 覆盖物。对覆盖物进行能谱分析,结果如图14所示, 发现该覆盖物成分存在较高含量的铝元素。
2 分析与讨论
由宏观检验结果可知,活塞裙开裂面较为平整, 未见塑性变形特征,从放射纹收敛情况来看,活塞裙 的裂纹源均位于内孔薄壁处,为点源特征;缸套内表 面裂纹大多为周向分布,内表面上存在明显与裂纹 方向垂直的摩擦痕迹。从活塞裙断口微观形貌分析 与金相分析结果可见,活塞裙裂纹源位于内孔壁次 表面处,该区域存在疏松缺陷;裂纹扩展区可见疲劳 辉纹,也存在疏松缺陷,说明活塞裙开裂是由内孔次表面的疏松缺陷引起的疲劳开裂[1]。从缸套内表面微 观形貌分析、能谱分析与金相分析结果可见,缸套表面 摩擦痕迹明显,且与裂纹方向垂直,缸套内表面存在一 层以铝元素为主的覆盖物,说明缸套与活塞裙发生了 磨损,且存在材料迁移,为黏着磨损的典型特征。
活塞裙内孔壁次表面存在疏松缺陷,材料疏松 区域为应力集中点,活塞裙在工作环境中承受一定 的交变应力,在交变应力作用下,活塞裙从疏松区域 产生裂纹并以疲劳形式扩展,最终发生大面积开裂。 活塞裙开裂后,缸套与活塞裙之间间隙变小,导致两 者直接接触挤压,缸套与活塞裙之间相对运动时,缸 套内表面与活塞裙外表面产生剧烈摩擦,发生黏着 磨损[2],活塞裙与缸套内表面存在很大的摩擦力,引 发缸套内表面开裂,最终发生拉缸事故。
3 结论
活塞裙与缸套发生拉缸的原因是:由活塞裙内 孔壁次表面疏松缺陷引起活塞裙疲劳开裂,开裂后 活塞裙与缸套配套间隙减小,活塞裙与缸套相对运 动时发生黏着磨损,最终发生拉缸事故。
参考文献: [1] 王荣.机械装备的失效分析(续前)第3讲 断口分析 技术(上)[J].理化检验(物理分 册),2016,52(10): 698-704. [2] 陈玉珍,高玉周.GCr15钢旋片式助力泵泵体磨损失 效分析[J].理化检验(物理分册),2011,47(8):522- 523,526.
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