柴油机排气阀盘面断裂的失效分析.pdf

第６卷第４期２０１２年１２月材料研究与应用ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＡＰＰＬＩＣＡＴｌ０ＮＶ０１．６。Ｎｏ．４Ｄｅｃ．２０１２———文章编号：１６３７９９８１一（２０１２）０４０２７１０５柴油机排气阀盘面断裂的失效分析肖晓玲，况敏，乐有树广东省工业技术研究院新材料研究所，广东广州５１０６５０摘要：利用金相显微镜、扫描电镜、能谱分析仪等对某柴油机排气阀盘面的断口进行了观察和分析．结果表明：阀盘面的断口出现人字纹、河流花样和韧窝等特征，为沿晶＋穿晶混合型断裂；断口处有夹杂物，断裂面上裂纹尖端覆盖有一层氧化皮，表明断裂过程中有腐蚀氧化过程；腐蚀氧化、高频率冲击和热应力等共同作用导致了阀盘面的疲劳断裂．关键词：柴油机；排气阀；断裂ｔ失效分析中圈分类号：ＴＨｌ４２文献标识码：Ａ排气阀是柴油机的一个重要零件，长期工作在高温及腐蚀的恶劣环境下，且阀杆在落座时将承受由惯性力引起的交变载荷及弹簧所施加的交变载荷．在频繁的起落过程中，排气阀也是柴油机易损件之一［１］．排气阀主要的失效形式有气阀头部（阀盘）宏观裂纹、烧蚀掉块破碎和气阀杆身断裂等［２］．某船℃用柴油机排气阀的工作温度范围为４００～５００，工作压力范围为１３０１３５ｋｇ，排气阀工作３０００ｈ后发生掉块破碎，远远低于规定的２００００ｈ以上的寿命．本文对发生此事故的排气阀进行了失效分析，找出了排气阀断裂原因，可以为船舶管理人员提供维修保养经验，以保证船舶的安全运营．１外观检验某柴油机排气阀材料为４Ｃｒ，。Ｎｉ。。ＷｚＭｏＶ耐热℃钢，该合金钢经固溶处理（１１７０，保温４０ｍｉｎ，水℃冷）后，再时效处理（８２０，保温５ｈ，水冷）．阀杆直径为２５ｍｍ，阀盘面的直径为１０５ｍｍ，阀盘锥面是堆焊钴基合金．仔细检查排气阀盘未断处表面，均为黑褐色并有局部氧化物剥落．图１（ａ）是柴油机排气阀盘破碎掉块后的宏观形貌，图１（ｂ）是阀盘掉块的断口经丙酮、酒精溶液超声波清洗后的形貌，表面氧化严重，断口较平滑并有较明显的贝壳纹花样，表明该区为疲劳裂纹扩展区．圈１断口宏观形貌（ａ）排气阀盘碎块；（ｂ）清洗后的阀盘碎块断口形貌Ｆｉｇ．１Ｉｍａｇｅｓｏｆｔｈｅｅｘｈａｕｓｔｖａｌｖｅａｆｔｅｒｆａｉｌｕｒｅ（ａ）ｆｒａｇｍｅｎｔｓｏｆｅｘｈａｕｓｔｖａｌｖｅＩ（ｂ）ｏｎｅｆｒａｇｍｅｎｔｏｆｅｘｈａｕｓｔｖａｌｖｅａｆｔｅｒｃｌｅａｎｉｎｇ——收稿日期：２０１２１０１６作者简介：肖晓玲（１９６６・），女，湖南祁东人，高级工程师，博士．万方数据材料研究与应用２排气阀盘的化学成分、金相组织与硬度２．１化学成分分析截取阀盘断裂部位的基材进行化学成分分析，结果列于表１，由表１可见，阀盘基材成分含量符合４Ｃｒ。。Ｎｉ，。Ｗ：ＭｏＶ耐热钢的化学成分要求嘲．表１排气阀盘的化学成分ＴａｂＩｅ１Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｘｈａｕｓｔｖａｌｖｅ２．２金相组织观察及硬度测试截取断口附近的基材制备金相试样，观察经浸蚀后的试样发现，断口基材组织为奥氏体及颗粒状碳化物（图２ａ），经评定，晶粒度级别为７．５级，显微组织未见异常，但靠近断口边缘附近的晶界上有夹杂物析出（图２ｂ）．图２断口基材金相组织（ａ）断口处基材和（ｂ）断口边缘Ｆｉｇ．２Ｍｉｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ（ａ）ｍａｔｒｉｘｎｅａｒ［ｒａｃｔｕｒｅａｎｄ（ｂ）ｎｅａｒｆｒａｃｔｕｒｅｅｄｇｅ图３是金相试样的扫描电镜照片．由图３可见，试样的奥氏体晶粒不均匀，晶界和晶粒内均有碳化物析出，呈颗粒状和短棒状，弥散分布，部分碳化物沿晶界作断续的链状分布，与４Ｃｒ。。Ｎｉ。。Ｗ。ＭｏＶ耐热钢经固溶处理，再时效处理的金相组织相符［３］，高倍观察发现，在奥氏体晶粒中还有少许条状的硫化锰（见图３ｂ）．另外，在金相试样的断口处发现几处沿晶界扩展的裂纹（见图４）．裂纹从开裂表面至尖端处均存在较为严重的氧化，抛光态观察可以看到裂纹内部充满了灰白色的氧化物；比较裂纹开裂处与基材的能谱曲线（图５），发现裂纹处的氧和硫的含量高于基材，而Ｎｉ的含量低于基材，以上特征说明，在使用过程中－，排气阀的断裂部位曾发生氧化或腐蚀．圈３试样的ＳＥＭ照片（ａ）３０００×；（ｂ）ｉ００００×Ｆｉｇ．３ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｓａｍｐｌｅ万方数据第６卷第４期肖晓玲，等：柴油机排气阀盘面断裂的失效分析２７３圈４断面上裂纹的ＳＥＭ照片（ａ）１５０×；（ｂ）４００×Ｆｉｇ．４Ｃｒａｃｋｅｘｔｅｎｓｉｏｎａｒｅａｏｆｔｈｅｓｌｏｔｆｒａｃｔｕｒｅｌｌｏｏ．：（ａ）２Ｅ＝ｏｏ一ＦｅＯ愀～．Ｄ．０００ｋｅＶ１０．２４０’１５００（ｂ）竺ａｊｏＩＵ魏强一，。一．．Ｊ忱‰＾Ｖ０．０００ｋｅＶ１０．２４０圈５排气阀的能谱图（ａ）裂纹开裂处；（ｂ）基材Ｆｉｇ．５ＥＤＳｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆ（ａ）ｆｒａｃｔｕｒｅ，（ｂ）ｍａｔｒｉｘ图６是阀面堆焊处横截面的形貌，由图６（ａ）可见堆焊层、热影响区（即扩散区）和基体的形貌；与基材的ＳＥＭ图相比，堆焊处的颗粒碳化物已基本熔于基体中，痕迹隐约可见．图６堆焊处横截面形貌（ａ）１２．５×；（ｂ）２００×Ｆｉｇ．６Ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎｉｍａｇｅｏｆｏｖｅｒｌａｙｗｅｌｄｉｎｇ阀盘断裂处附近的硬度测量值为１４３ＨＢ，未断裂处的硬度为１６０ＨＢ，均低于４Ｃｒ。。ＮｉｔｔＷｚＭｏＶ耐热钢经固溶处理、再时效处理后的硬度（１６８ＨＢ～２４４ＨＢ），表明阀盘的室温力学性能略低于正常值．３断口观察与分析图７为断口的扫描电镜照片，图７（ａ）中的断口有空洞和一簇簇连续的逆向人字纹，断口也较为粗万方数据２７４材料研究与应用糙，表明该区为疲劳裂纹源区．图７（ｂ）和图７（ｃ）为解理断口，具有河流花样特征，图７（ｄ）的断口为准解理断口，有类似韧窝出现．由此可判断该断裂为沿晶＋穿晶混合型断裂．由于排气阀的服役环境恶劣，燃油中一般含有０．２％ｔＯ．５％的硫，在燃烧过程中所形成的Ｓ０２与润滑油中的碳元素生成燃灰盐类沉积物，沉积于排气阀的表面，另外，Ｓ０２和高温氧化都会导致阀盘面被腐蚀而形成氧化物和硫化物．当柴油机在运行时，排气阀又会受到机械负荷和热负荷的共同作用，使４结论其表面的氧化物层破碎，从而加速了氧化和热腐蚀的进程，在表面形成腐蚀坑而造成局部的应力集中，再加上阀盘的硬度略低于正常值，这样容易形成空穴（图７ａ和图７ｃ）．同时排气门在运行中不仅发生摩擦磨损，而且还受到高温燃气的腐蚀作用，阀面上会形成局部凹坑，通常称为麻点，当麻点达到一定的大小和深度时就会造成漏气．这种高温漏气会使排气门很快发生烧蚀，形成裂纹，再由于高温硫化腐蚀加速裂纹沿晶界扩展延伸（图４），从而引起排气门阀座面破碎掉块¨Ｊ．图７断面不同部位的ＳＥＭ照片Ｆｉｇ．７ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆａｉｌｕｒｅａｒｅａｓｉｎｔｈｅ［ｒａｃｔｕｒｅ（１）阀体的材料符合４Ｃｒ。。Ｎｉ。。Ｗ。ＭｏＶ耐热钢化学成分的要求，断口的金相组织与４Ｃｒ。。Ｎｉ。。Ｗ。ＭｏＶ耐热钢经固溶＋时效处理后的组织基本相符；堆焊处组织未见异常．（２）阀盘的硬度低于本材料的标准硬度，表明原材料的热加工工艺欠妥或排气阀在运行过程中温度超标．（３）断口形貌具有人字纹、河流花样和韧窝等特征，为沿晶＋穿晶混合型断裂．（４）断口处有夹杂物，断裂面上裂纹尖端覆盖有一层氧化皮，断裂过程中有腐蚀氧化作用．腐蚀氧化、机械力和热应力等共同作用使阀盘面产生疲劳断裂．参考文献：［１］戴乐阳，林少芬。陈清林，等．排气阀杆早期断裂失效分析［Ｊ］．材料热处理技术，２０１０，３９（２２）：１８８－１９０．［２］张守俊．柴油机排气阀阀杆频繁断裂的分析与处理［Ｊ］．—舰船科学与技术，２０１０，３２（９）；４４４６．［３］任颂赞，张静江。陈质如，等．钢铁金相图谱［Ｍ］．上海：上海科学技术文献出版社．２００３．Ｆ４］毛兆杰，汪荣生．机车柴油机气门的失效分析及对策［Ｊ］．内燃机车，２００８（５）：１５・１８．万方数据第６卷第４期肖晓玲．等：柴油机排气阀盘面断裂的失效分析２７５ＦａｉｌｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｘｈａｕｓｔｖａｌｖｅｉｎｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅＸＩＡＯＸｉａｏｌｉｎｇ。ＫＵＡＮＧＭｉｎ，ＬＥＹｏｕｓｈｕＤｅｐｔ．ｏｆＮｅｗＭａｔｅｒｉａｌ。ＧｕａｎｇｄｏｎｇＧｅｎｅｒａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６５０，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｏｆｔｈｅｅｘｈａｕｓｔｖａｌｖｅｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＳＥＭａｎｄＥＤＳ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｏｆｖａｌｖｅｗａｓｍｉｘｔｕｒｅｏｆ—ｉｎｔｅｒｇｒａｎｕｌａｒａｎｄｔｒａｎｓ－ｇｒａｎｕｌａｒｆｒａｃｔｕｒｅｗｉｔｈｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｈｅｒｒｉｎｇｂｏｎｅｓ，ｒｉｖｅｒｐａｔｔｅｒｎｓａｎｄｄｉｍｐｌｅｓ．Ｃｏｒｒｕｐｔｉｏｎｏｘｉｄａｔｉｏｎａｃｔｉｏｎｈａｐｐｅｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｌｕｓｉｏｎａｎｄｏｘｉｄｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅ．Ｃｏｒｒｕｐｔｉｏｎｏｘｉｄａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｍｐａｃｔｓｔｒｅｓｓａｎｄｈｅａｔｓｔｒｅｓｓｒｅｓｕｌｔｅｄｉｎｆａｔｉｇｕｅｆｒａｃｔｕｒｅｉｎｔｈｅｖａｌｖｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅ；ｅｘｈａｕｓｔｖａｌｖｅ；ｆｒａｃｔｕｒｅ；ｆａｉｌｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓ’’’●’’’’’’●’’’’’●’●＇＇＇＇＇＇，＇＇ｌＩＩ＇ＩＩ＂＇ＩＩ＂＇ｌ＇，，，，＇＇＇＇ｌｌｌ，，Ｉ＇１１１＂＇ｌ＇，ｌ＇＇＇＇，，，Ｉｌ＇＇＇ＩＩ＂＇ｌｌ＂１１＂ｌ＇，＇，＇，＇，，＇＇＇＇，，＇＇，＇＇＇（上接第２３９页）Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｃｏａｔｉｉ垮ｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｐｌａｓｍａｓｐｒａｙｉｎｇｕｓｉｎｇｔｈｅｐｏｗｄｅｒｏｆｂｏｔｈｍｉｃｒｏａｎｄｎａｎｏ—Ａ１２０３１３ｗｔ％Ｔｉ０２ＤＥＮＧＣｈｕｎｍｉｎ９１．ＺＨＡＮＧＸｉａｏｓｈｕｉ２．ＭＡＯＪｉｅｌ．ＺＨＡＮＧＪｉｆｕｌ．ＬＩＵＭｉｎｌ，ＤＥＮＧＣｈａｎｇｇｕａｎ９１１．Ｃ＿ｍａｎｇｄｏｎｇＧｅｎｅｒａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＩｎｄｕｓｔｒｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｇｕａｎｇｚｈｏｕｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ—ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓｍｅｔａｌｓ）．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６５０，Ｃｈｉｎａ；２．ＡＶＩＣＳｏｕｔｈＡｖｉａｔｉｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＬｉｍｉｔｅｄＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｚｈｕｚｈｏｕ４１２００２・Ｃｈｉｎａ—Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ１２０３１３ｗｔ％Ｔｉ０２ｃｏａｔｉｎｇｓｗｅｒｅｄｅｐｏｓｉｔｅｄｏｎＱ２３５ｓｔｅｅｌｂｙａｉｒｐｌａｓｍａｓｐｒａｙｉｎｇ（ＡＰＳ）ｕｓｉｎｇｂｏｔｈｍｉｃｒｏａｎｄｎａｎｏＡ１２０３－１３ｗｔ％Ｔｉ０２ｐｏｗｄｅｒａｓｆｅｅｄｓｔｏｃｋ．Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｐｈａｓｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓａｎｄ—ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓｆｏｒ—ａｓｓｐｒａｙｅｄｃｏａｔｉｎｇｓｗｅｒｅｅｘａｍｉｎｅｄ．ＴｈｅｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｂｏｔｈｍｉｃｒｏａｎｄｎａｎｏＡ１２—０３１３ｗｔ％Ｔｉ０２ｃｏａｔｉｎｇｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｉｎｃｌｕｄｉｎｇｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｏｓａｎｄａｂｒａｓｉｏｎａｎｄ—ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｒｒｏｓｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｄｅｎｓｅｒｃｏａｔｉｎｇｗｉｔｈａｍｉｘｔｕｒｅｏｆｍｉｃｒｏａｎｄ—ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂｙｎａｎｏＡ１２—０３１３ｗｔ％Ｔｉ０２ｐｏｗｄｅｒｗａｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙｆａｒｈｉｇｈｅｒｐｌａｓｍａｐｏｗｅｒｔｈａｎｔｈａｔａｐｐｌｉｅｄｉｎｃｏａｔｉｎｇｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｍｉｃｒｏ—Ａ１２０３１３ｗｔ％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