邵利民，徐慧峰

(海軍上海地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，上海200136)

0 引言

活塞銷(xiāo)是柴油機(jī)功率傳遞的核心部件，隨著船用柴油機(jī)向高強(qiáng)度大功率方向發(fā)展，活塞銷(xiāo)承受的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷也越來(lái)越大，發(fā)生故障的概率也在增加［1］。某船用推進(jìn)柴油機(jī)在運(yùn)行近10 000 h 拆檢活塞連桿組時(shí)發(fā)現(xiàn)一活塞銷(xiāo)孔表面出現(xiàn)裂紋，該活塞銷(xiāo)材料牌號(hào)為30Cr3W，經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面滲氮熱處理，性能要求如表1 所示。為了找到裂紋的故障原因，分別從宏觀形貌和微觀形貌，化學(xué)成分、力學(xué)性能、 金相組織等方面對(duì)失效活塞銷(xiāo)進(jìn)行了全面的分析與排查［2-3］。

表1 活塞銷(xiāo)材料性能要求

1 活塞銷(xiāo)裂紋外觀描述

活塞銷(xiāo)裂紋的宏觀外貌如圖1 所示，將活塞銷(xiāo)表面孔標(biāo)為1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)，表面裂紋位置在1 號(hào)孔處，向2 號(hào)孔處擴(kuò)展約25 mm。

圖1 活塞銷(xiāo)裂紋

2 活塞銷(xiāo)裂紋原因排查

2.1 活塞銷(xiāo)裂紋原因分析

活塞銷(xiāo)裂紋失效原因主要有設(shè)計(jì)因素、 材質(zhì)因素、加工質(zhì)量和使用強(qiáng)度等四個(gè)方面［4，5］。對(duì)照設(shè)計(jì)資料狀態(tài)進(jìn)行復(fù)查，設(shè)計(jì)狀態(tài)至今未發(fā)生任何變化，柴油機(jī)使用中也為未出現(xiàn)超負(fù)荷現(xiàn)象，因此可以排除這兩方面原因，主要從材質(zhì)因素和加工質(zhì)量方面進(jìn)行分析排查。

2.2 宏觀形貌檢查

將活塞銷(xiāo)剖開(kāi)，從活塞銷(xiāo)內(nèi)孔觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋已貫穿厚壁，并且裂紋從1 號(hào)孔延伸至2 號(hào)孔甚至更遠(yuǎn)處，內(nèi)部處宏觀形貌見(jiàn)圖2。繼續(xù)將活塞銷(xiāo)剖開(kāi)，內(nèi)壁裂紋延伸終點(diǎn)位置宏觀形貌見(jiàn)圖3(a)識(shí)別標(biāo)示，進(jìn)一步將裂紋打開(kāi)，裂紋面的宏觀形貌見(jiàn)圖3(b)。經(jīng)觀察，裂紋面呈亮金屬色，裂紋面上可見(jiàn)清晰的貝紋線(xiàn)，為疲勞開(kāi)裂的宏觀形貌特征，見(jiàn)圖4(a)。貝紋線(xiàn)收斂位置即為裂紋源區(qū)，見(jiàn)圖4(b)，該位置為2 號(hào)孔，說(shuō)明活塞銷(xiāo)的裂紋起源于2 號(hào)孔表面，開(kāi)裂性質(zhì)為疲勞開(kāi)裂。將源區(qū)分別標(biāo)記為1#源區(qū)和2#源區(qū)，見(jiàn)圖4b。

圖2 內(nèi)部裂紋延伸宏觀形貌

圖3 內(nèi)壁裂紋面宏觀形貌

圖4 裂紋面貝紋線(xiàn)形貌

2.3 微觀形貌檢查

取1#源區(qū)斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察，SEM 形貌見(jiàn)圖5，SEM 形貌可見(jiàn)疲勞條帶收斂于一點(diǎn)，為裂紋源區(qū)，可見(jiàn)大致平行的二次裂紋，為疲勞開(kāi)裂的微觀形貌特征。源區(qū)內(nèi)嵌有夾雜物，對(duì)夾雜物進(jìn)行能譜分析可知，異物為氧化鋁，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖5 裂紋面SEM 形貌

2.4 材料性能分析

2.4.1 化學(xué)成分分析

從活塞銷(xiāo)上取部分金屬屑進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表2 所示，活塞銷(xiāo)化學(xué)成分符合30Cr3W 的要求。

表2 活塞銷(xiāo)化學(xué)成分實(shí)測(cè)值

2.4.2 金相組織分析

截取活塞銷(xiāo)端面位置的剖面在金相顯微鏡下觀察顯微組織為球粒狀珠光體，形貌見(jiàn)圖7，端面及活塞銷(xiāo)圓柱面均未見(jiàn)氮化層，與技術(shù)要求不符。

圖7 金相試樣顯微組織形貌

2.4.3 力學(xué)性能測(cè)試

活塞銷(xiāo)的力學(xué)測(cè)試結(jié)果如表3 所示，通過(guò)力學(xué)性能實(shí)測(cè)值可知，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、沖擊性能實(shí)測(cè)值不符合技術(shù)要求。

表3 活塞銷(xiāo)力學(xué)性能實(shí)測(cè)值

3 活塞銷(xiāo)失效原因分析

根據(jù)上文的檢查可以得出以下結(jié)論：

(1)活塞銷(xiāo)化學(xué)成分符合技術(shù)要求，失效原因與材料本身無(wú)關(guān)。

(2)活塞銷(xiāo)力學(xué)性能不符合技術(shù)要求，且金相分析活塞銷(xiāo)端面及圓柱面均未見(jiàn)氮化層，活塞銷(xiāo)加工過(guò)程中未按圖紙要求進(jìn)行表面滲氮熱處理。

(3)通過(guò)宏觀照片及微觀照片觀察和分析，認(rèn)為活塞銷(xiāo)開(kāi)裂性質(zhì)為疲勞開(kāi)裂，開(kāi)裂起源于2 號(hào)孔表面，斷裂主要是因?yàn)椴环显O(shè)計(jì)要求的力學(xué)性能降低了抗疲勞性能，在運(yùn)行過(guò)程中在2 號(hào)孔與中間油道交界處表面萌生微裂紋并擴(kuò)展直至開(kāi)裂。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)此活塞銷(xiāo)加工過(guò)程中未按要求進(jìn)行表面熱處理，導(dǎo)致力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)，在柴油機(jī)高強(qiáng)度運(yùn)行中出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂。

(2)應(yīng)嚴(yán)格控制生產(chǎn)過(guò)程，完善加工過(guò)程的記錄，避免出現(xiàn)類(lèi)似缺陷。