内燃机铸造铝活塞顶部裂损失效分析

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1、内燃机铸造铝活塞顶部裂损失效分析王会强，蒋辉，赵建国，刘江涛，赵晓顺（河北农业大学机电工程学院，河北保定071001）摘耍：借助于扫描电镜、光学显微镜对内燃机铸造钳活塞顶部破裂原因进行了失效分析，通过对失效铝活塞化学成分的测定、宏观断口及显微组织的观察，确定工件内部存在严重的质量问题。分析认为，明显变质不良的缺陷组织、较多的长针状Fe相夹杂物和集中分布的鱼骨状Fe相夹杂物的存在，是导致构件在服役时早期失效碎裂的主要原因。关键词：能源与动力工程；活塞；分析；宏观断口；变质处理；失效分析中图分类号：TK423.3'3文献标识码：A文章编号：1003—188X（2007

2、）110211—03（）引言活塞被称为内燃机的心脏，它是最重要的零件之一。由于活寒是在高温、高压的燃气作用下，不断地做高速往复运动，从而承受着高温高压的热负荷和机械负荷，其工作条件十分恶劣。活塞是内燃机主要运动部件中唯一的铝件，发动机中与其相关的任何一个部件或发动机工作状态发生故障都极有可能导致活塞受损或破碎。因此，发动机的故障也往往暴銘在活塞上，但其真正引起发动机故障的部件并不一定是活塞，需要根据具体情况进行具体的分析⑴。下面就活塞顶部比较常见的损坏形式及其产生原因进行分析。某大型货车额定载3E为19000kg,当时载垂约为8000kg,在大修后使用两个月左右，

3、在由山东临沂返回保定的途中，车内发动机主要部件铸造铝活塞发生了严重顶部碎裂事故，直接导致大货车瘫停在保满公路上。为评定铸造铝活塞内部质量，找到构件碎裂失效的根本原因，从宏观到微观进行系统地试验与分析⑵。1试验与分析1-1化学成分检验在活塞上截取试样，测定活寒的化学成分如表1所示。图1活瘧顶部破裂形貌图2沾痣顶部裂纹形貌Fig.2Fragmentaryappearanegofpistontop表1测得活塞的化学成分名称FeMnSiCuTiNiMgSnPbZn实测数据0.460.0212.790.910.030.931.110.0020.0070.006与GB/T11

4、48-1993《内燃机铝活寒技术条件》相比，其化学成分符合国标范围要求。1.2断口形貌1.2.1宏观检查活塞顶部有一处发生严重破裂，开裂方向与活塞销孔的轴线方向垂直，断口处为深灰色脆性断口，其上有明显的横向长裂纹，如图1所示。除此之外，活塞顶部还有大小不等、形状不规则的10余块碎块。其中，有两块明显的白亮、光滑的疲劳断口。上述特征表明此断口为裂纹首先形成，继续使用时，顶部发生脆性破裂⑶。在图1箭头所指处取样，发现所取处有裂纹，如图2箭头所指。收稿日期：2007-02-12作者简介：王会强（1978-），男，河北玉田人，助教，（E-mail）wanghuiqiang

5、^eyou.com0一般来说，活塞顶面开裂主要有以下几种原因：由于变质不良而造成块状初晶硅粗大和分布不均；长针状Fe相夹杂物和鱼骨状Fe相夹杂物过多；发动机超负荷运转，导致活塞变形量过大，而造成活塞顶面疲劳开裂⑷；燃烧系统工作不正常或发动机负荷过大导致活塞顶面的温度梯度增大，从而造成活塞顶面的热开裂；含有其它杂质元索，从而加速裂纹的发展。1.2.2断口微观检查用扫描电镜对活塞顶部破裂断口进行观察，结果如图3所示。(b)MicrostructureappearanceoffractureFig.3图3(a)表示裂源部位的断口微观形貌，具有节理断口微观形态最突出的特征

6、一河流花样条纹，这些河流花样条纹局部扩展方向就是节理裂缝的起源点。图3(b)可以看到表征疲劳破断所特有的局部疲劳条痕叭1.3显微组织分析1.3.1基体组织分析(a)5%HFIhO100X图3断口的微观形貌基体组织a—固溶体、块状初晶Si和针状或条状的共晶Si,以及含Fe的杂质相，如图4所示。由图4中可看出该红1织具有明显变质不良的条状Si和大块状及聚集严重的初晶Si⑸，按照JB/T62892005《内燃机铸造铝活塞金相检验》评级标准评定为5级，其中标准规定大于4级不合格⑸。图4金相组织图Fig.4Thechartofmetal1ographicstructure1

7、.3.2杂质相检验分析铸造铝合金组织中，主要是针状的Fe相夹杂物和鱼骨状Fe相夹杂物，如图5所示。图5(a)中具有较多的长针状Feff!夹杂物，图5(b)中有大块或集中分布的鱼骨状Fe相夹杂物存在⑸，按照中华人民共和国机械行业标准JB/T6289-2005《内燃机铸造铝活塞金相检验》评级标准评定为6级，其中标准规定大于4级不合格⑹。(a)20%H2S0,也0200X图5金相组织图Fig.5Thechartofmetallographicstructure2结果讨论铸造铝活塞的失效分析主要是检验宏观断口、显微组织和Fe相夹杂物数量、大小、分布情况，而上述这3项检验均

8、不合格，这