船用柴油机拉缸故障失效分析

2022-03-02孙明正

理化检验(物理分册) 2022年2期

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)

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。

图1 活塞裙宏观形貌

图2 缸套宏观形貌

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。

图3 活塞裙裂纹宏观形貌

图4 活塞裙断口宏观形貌

图5 断口裂纹源区宏观形貌

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。

图6 缸套内表面宏观形貌

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。

表1 活塞裙的化学成分 %

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。

表2 缸套的化学成分 %

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。

图7 裂纹源区微观形貌

图8 疏松缺陷微观形貌

图9 裂纹扩展区微观形貌

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。

图10 缸套内表面微观形貌

图11 缸套表面能谱分析位置及分析结果

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。

图12 活塞裙裂纹源区剖面显微组织形貌

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。

图13 缸套内表面剖面抛光态显微组织形貌

图14 缸套内表面覆盖层能谱分析位置及分析结果

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。