深圳厂家介绍柴油发动机活塞裙破裂:原因与修复;我公司一台柴油机运行7305小时后,发现第三缸活塞裙部出现裂纹。
为了确定开裂原因,我们对活塞裙进行了解剖,并对断口的化学成分、力学性能、低倍组织、宏观形貌和显微组织进行了综合分析和评价。
1、活塞裙部技术要求
我公司活塞裙采用模锻件,材质为T6交货状态的4032,并经过固溶热处理。材料化学成分符合GB/T3190的规定。
生产工艺涉及锻造、固溶、人工时效、机械加工等。经过锻造、固溶、人工时效后,活塞裙的力学性能为:HBS=100~125(10/1000),σb≥280MPa,δ5≥1%。
四分之一截面的宏观组织不得有偏析、裂纹、气孔或夹杂物。金属流动方向一般遵循锻件的轮廓,没有流穿或折叠。
为了进行质量控制,在拉伸样品的末端取样,然后使用放大倍数为 100 倍或 400 倍的显微镜进行检查。样品不得含有有害缺陷,例如夹杂物、偏析或过度燃烧。
2 裂纹发现过程
以下是对活塞裙检查所提供的照片的分析。
图 1 显示了带有可见裂纹的活塞裙的照片。裂纹本质上是横向的,位于活塞的外径上。裂纹超过活塞直径的1/4,并已穿透壁厚。
图2描绘了内腔的裂纹形貌。裂纹从活塞内部穿过销孔延伸至外表面。
图3为活塞裙在外力作用下沿裂纹张开的照片。目的是分析裂纹的断口形貌。
图4是沿相互垂直的中心线剖开的活塞裙部的照片。解剖的目的是测试和分析活塞裙的机械性能,包括低倍纤维流线。
(1)活塞裙化学成分检验,材质为GB/T3190 4032。检查结果如表1所示。
表1 化学成分(质量分数)(%)
元素 | 测量值 | 要求 | 合格判定 |
硅 | 11.82 | 11.0~13.5 | 一致的 |
铁 | 0.26 | ≤1.00 | 一致的 |
铜 | 0.76 | 0.50~1.30 | 一致的 |
镁 | 0.98 | 0.80~1.30 | 一致的 |
锰 | 0.021 | – | – |
你 | 0.69 | 0.50~1.30 | 一致的 |
锌 | 0.031 | ≤0.25 | 一致的 |
钛 | 0.014 | – | – |
铬 | 0.032 | ≤0.10 | 一致的 |
铝 | 利润 | – | – |
结论:化学成分符合GB/T3190中4032的要求。
(2)力学性能测试,结果见表2。
表2 力学性能测试
项目 | 测量值 | 要求 | 合格判定 |
拉伸强度/MPa | 352.1 | ≥280 | 一致的 |
屈服强度/MPa | 333.0 | – | – |
断后伸长率(%) | 4.6 | ≥1 | 一致的 |
硬度HBS | 115 | 100~125 | 一致的 |
结论:力学性能合格,满足设计要求。
(3)进行低倍组织检查,并进行断口分析。
如图5所示,金属纤维的流动方向大致沿锻件轮廓分布,没有流穿或折叠的迹象,表明宏观组织正常。
由图6可知,活塞裙上的裂纹萌生点位于小油孔与活塞销油槽相交的尖角处。
断口形貌中未观察到明显的塑性变形。然而,在宏观结构中可以看到典型的疲劳带,并且疲劳弧的中心指向油孔的尖角。
图 7 显示了活塞裙外表面上的裂纹末端形态。断裂中部呈现疲劳带,自由面附近瞬态断裂区呈现不稳定的跳跃脊线。
图8为疲劳源区油孔尖角正面宏观形貌。宏观形貌表明,油孔尖角毛刺处不存在毛刺飞边和原始裂纹。
最后,图9显示断裂延伸区域以解理形态为主。
(4)在光学显微镜下观察断裂情况,并分析纤维结构。
在图10中,示出了金相样品在光学显微镜下的照片。显微组织由α+(α+Si)+强化相和杂质相组成,呈现正常显微组织,无冶金或热处理缺陷。
图11是扫描电镜下试样横截面的照片,表明断裂起源于油孔加工的尖角处。
图 12 显示了断裂起始源区域的形貌,表明韧窝形貌在断裂的最终断裂区域中占主导地位。
3 结果与分析
(一)检查结果分析
根据化学成分分析,活塞裙的化学成分满足GB/T3190中材料4032的标准。
活塞裙的力学性能满足产品的设计要求。
活塞裙金相组织及低倍组织正常,未发现冶金、热处理、锻造缺陷。
裂纹起源于活塞裙部油孔与活塞销孔油槽相交形成的锐角面。
裂纹沿活塞裙横向扩展,并由内向外延伸,为典型的疲劳裂纹。
(2)开裂原因分析
活塞裙加工后,油孔的油槽与活塞销孔形成锐角。仍然存在不干净的毛刺,卷曲的毛刺上还可以看到很多原来的裂纹。这些裂纹导致活塞裙在运行过程中疲劳和破裂。
具体裂解过程分析如下:
锐边是应力集中区,小裂纹在应力集中区受到外力作用,导致锐边成为疲劳源区。
疲劳源区对缺口高度敏感,最终缺口(裂纹)在应力集中下延伸、扩展,导致活塞裙部裂纹。因此,裂纹是油孔尖角毛刺引起的疲劳裂纹。
在实际生产过程中,在锻造、热处理、机械加工、装配等各道工序开始前,应检查零件活塞裙表面是否有凹坑、裂纹、毛刺等缺陷。
若发现缺陷,应清理干净后方可进入下一道工序。这将有助于避免在后续生产或使用过程中因缺陷扩大而导致零件报废。
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