陸 慧, 孫明正
(上海材料研究所 檢測中心 上海市工程材料應(yīng)用與評價重點實驗室, 上海 200437)
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(yán)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。
圖1 活塞裙宏觀形貌
圖2 缸套宏觀形貌
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。
圖3 活塞裙裂紋宏觀形貌
圖4 活塞裙斷口宏觀形貌
圖5 斷口裂紋源區(qū)宏觀形貌
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。
圖6 缸套內(nèi)表面宏觀形貌
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。
表1 活塞裙的化學(xué)成分 %
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。
表2 缸套的化學(xué)成分 %
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。
圖7 裂紋源區(qū)微觀形貌
圖8 疏松缺陷微觀形貌
圖9 裂紋擴展區(qū)微觀形貌
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。
圖10 缸套內(nèi)表面微觀形貌
圖11 缸套表面能譜分析位置及分析結(jié)果
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。
圖12 活塞裙裂紋源區(qū)剖面顯微組織形貌
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。
圖13 缸套內(nèi)表面剖面拋光態(tài)顯微組織形貌
圖14 缸套內(nèi)表面覆蓋層能譜分析位置及分析結(jié)果
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。
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。