某型柴油机活塞裙裂纹原因分析

作者：武琳琳单位：陕西柴油机重工有限公司来源：《金属加工（热加工）》杂志我公司某型柴油机，在运行7305h后，发现第三缸活塞裙出现裂纹。为查找开裂原因，我们将该活塞裙本体解剖，分别从化学成分、力学性能、低倍组织、断口宏观形貌、断口显微组织方面进行了全面分析、判断。1.活塞裙技术要求我公司活塞裙为模锻件，所用材料为4032，材料交货状态为T6（固溶热处理），材料化学成分符合GB/T3190，生产工艺过程为：锻造→固溶化→人工时效→机加。活塞裙经锻造、固溶、人工时效后需达到力学性能为：HBS=100～125(10/1000),σb≥280MPa，δ5≥1%。另外，四分之剖面的低倍组织不允许有偏析、裂纹、气孔、夹杂物的缺陷，金属流向方向大致沿锻件外形轮廓分布，不允许有穿流、折叠；拉伸试样端头处取样，用100倍或400被的显微镜检查，不允许有夹杂物、偏析、过烧等有害缺陷。2.发现裂纹过程图1是送检的活塞裙照片，从照片中可见明显的裂纹，并且沿活塞外径横向扩展，超过活塞外径的1/4，穿透活塞壁厚。图2是内腔的裂纹形貌，裂纹经过活塞销孔、并沿销孔由里向外延伸。图3是用外力将活塞裙沿裂纹打开的照片，目的是对裂纹断口形貌进行分析。图4是将活塞裙沿互相垂直的中心线解剖的照片；目的是对活塞裙力学性能及低倍纤维流线进行试验分析。

（1）对活塞裙化学成分进行检验，材料4032 GB/T3190，检验结果如表1所示。表1 化学成分（质量分数）     （%）元素实测要求符合性判定Si11.8211.0~13.5符合Fe0.26≤1.00符合Cu0.760.50~1.30符合Mg0.980.80~1.30符合Mn0.021——Ni0.690.50~1.30符合Zn0.031≤0.25符合Ti0.014——Cr0.032≤0.10符合Al余量——结论：化学成分符合标准GB/T3190中4032的要求。（2）对力学性能进行检验，结果如表2所示。表2 力学性能检测项目实测要求符合性判定抗拉强度/MPa352.1≥280符合屈服强度/MPa333.0——伸长率（%）4.6≥1符合硬度HBS115100~125符合结论：力学性能合格，符合设计要求。（3）对低倍组织进行检验、对断口进行分析。从图5观察得出：金属纤维流向方向大致沿锻件外形轮廓分布，无穿流、折叠现象，低倍组织正常；从图6观察得出：活塞裙裂纹起始端位于小油孔和活塞销油槽形成的尖角部位，断口形貌中未见明显的塑性变形，宏观可见典型的疲劳条带，疲劳弧线中心指向油孔尖角处；图7是活塞裙外表面裂纹末端形貌，从形貌中观察得出：断口中部可见疲劳条带，接近自由表面的瞬断区可见失稳跳跃棱线。图8是疲劳源区的油孔尖角处正面宏观形态，从宏观形态观察得出：油孔尖角处可见未清理的毛刺飞边及毛刺上的原始裂纹。从图9观察得出：断口扩展区形貌以解理形貌为主。

（4）将断口置于光学显微镜下观察，对纤维组织进行分析。图10是金相试样在光学显微镜下的照片显示，从照片中可以看出显微组织为：α+(α+Si)+强化相及杂质相，显微组织正常，未见冶金及热处理缺陷。图11是断面试样置于扫描电镜下的照片显示，从照片中可以看出：断口起源位于油孔加工尖角处。图12是断口起裂源区形貌，可以看出断口最后断裂区形貌以韧窝形貌为主。

3.结果与分析（1）检验结果分析化学成分分析结果表明：活塞裙的化学成分符合GB/T3190中材料4032的要求。活塞裙力学性能符合产品设计的要求。金相组织和低倍组织正常，未见冶金、热处理及锻造缺陷。裂纹起源于活塞裙油孔与活塞销孔油槽截交的锐角表面，裂纹整体沿活塞裙横向、由里向外延伸扩展，为典型的疲劳裂纹。（2）开裂原因分析活塞裙在机加工后，油孔和活塞销孔的油槽形成锐角，并残留有未清理的毛刺，并且卷曲的毛刺上可见诸多原始裂纹，这些裂纹在活塞裙运行过程中使塞裙疲劳开裂。具体开裂过程分析如下所述：尖锐的边部是应力集中部位，细小的裂纹在应力集中部位受外力作用，致使尖锐的边部成为疲劳源区；疲劳源区对缺口的敏感性很高，最终缺口（裂纹）在应力集中状态下延伸散发，导致活塞裙开裂。裂纹是由油孔部位锐角边上未清理的毛刺引起的疲劳裂纹，因此我们在实际生产过程中，应该在每道工序开始之前作好零件清理工作，例如活塞裙应该在锻造、热处理、机加工、装配的每道工序开始之前检查零件表面有无凹坑、裂纹、毛刺等缺陷，如果有则应进行清理才可进入下道工序，避免缺陷在后续生产或使用中扩大而导致零件报废。

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