船用柴油机排气阀的断裂失效分析

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失效分析
船用柴油机排气阀的断裂失效分析
吴桂涛，魏海军
（大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026）
摘要：对船用4cr9si2 钢断裂柴油机排气阀进行了金相组织、扫描电镜、金属流线及断口分析和硬度检测。结果
表明，阀体材料的化学成分、断裂阀杆表面硬度符合产品的技术要求。断裂过程的形成是由中阀杆圆柱表面上的
氧化皮向基体扩展作用不均匀，首先在阀杆表面形成浅沟形开裂，逐渐发展成较深的裂纹，最终导致阀杆的疲劳
断裂。材料的断裂方式为高温腐蚀疲劳，断裂原因为材料的高温腐蚀疲劳性能不能满足排气阀高温腐蚀运行工
况的要求。
关键词：排气阀；断裂；高温腐蚀；疲劳
中图分类号：TG162. 79 文献标识码：A 文章编号：0254-6051（2007）04-0086-03
Rupture Failure Analysis of Marine Diesel Exhaust Valve
WU Gui-tao，WEI Hai-jun
（Marine Engineering coege，Daian Maritime Univerity，Liaoning Daian 116026，china）
Abstract：The rupture faiure of the marine diee exhaut vave pinde 4cr9si2 tee were anayzed by metaographi，
sEM，meta fow ine and frature anayi a we a hardne teting. The reut how that the vave materia and ur-
fae hardne of the pinde meet the tehnia reuirement of the produt. The rupture proe i aued by uneven ex-
panion of oxide ayer from the yindria urfae to the ubtrate，firty forming haow dith hape rak on the ur-
fae，then deveoping graduay into the deeper rak，and finay eading to the fatigue frature. The materia frature i
defined a high temperature orroion fatigue，and the high temperature orruption of materia an not uffiienty meet
the reuirement of the operating ondition of exhaut vave.
Key words：exhaut vave；rupture；high temperature orruption；fatigue
作者简介：吴桂涛（1968 11—），男，江苏泰县人，副教授，博士，
主要从事现代轮机工程管理方面的研究，已发表论文20 余篇，
曾获辽宁省科技进步二等奖1 项。联系电话：13940846395 E-
mai：wgt1129@ tom. om
收稿日期：2006-12-20
2004 年某船在航行时主机发出异常声响，转速波
动，停车检查发现主机1 号缸摇臂架已顶起，喷油器两
个固定螺丝断裂，喷油器腔大量出水，该缸缸套内壁漏
水。吊缸检查后发现该缸排气阀已断裂，一个排气阀
卡在活塞顶部，另一个排气阀卡在缸头上，并且缸头底
部已被排气阀击碎。脱落的阀盘经柴油机排烟管道进
入增压器，造成增压器涡轮端叶片全部损坏。本次发
生断裂的排气阀运行 12 000 h，远远低于规定的
25 000 h以上的寿命。
1 检验结果及分析
1. 1 排气阀及断裂特征
排气阀制作材料为4cr9si2 钢，排气阀总长度约
1 000 mm，阀盘直径约160 mm，阀杆直径约为32 mm。
送检的两支断裂排气阀均在阀盘以下约100 mm 处的
阀杆上断裂，断裂处阀杆直径约为30 mm，是整个阀杆
上直径最细的部位。阀盘上的断口已完全被机械冲撞
等外力作用而完全变形、损坏，无法作断口分析；阀杆
上断口虽也受损坏，但仍有少量部位未受碰撞。为作
对比分析，将未断裂排气阀在与阀盘以下约100 mm
处切开，并从切开后的阀杆上截取长度约为20 mm 的
试样一块。仔细检查排气阀未断处及已断裂阀杆表
面，均为黑褐色并有局部氧化皮剥落。
1. 2 阀体金属流线及断口
从未断裂及断裂阀体上沿阀杆轴线切开制取纵向
试样检查金属流线方向，结果见图1。由图1 可见，在
断裂部位附近，不同阀体直径部位上其锻造流线都很
正常，也未发现材料的其他低倍缺陷。将取自断裂阀
杆上的断口清洗后，在扫描电镜下观察，可以看到未受
到机械碰撞的部位有明显的疲劳辉纹，如图2 所示，这
说明 阀杆的断裂属于疲劳引起的断裂。
1. 3 金相组织
从排气阀距断口断面约15 mm 处垂直于阀杆轴
线切下金相试样，检查断裂面附近及阀杆表面附近的
金相组织，结果见图3 ~5。图3 是在未浸蚀时所观察
到的阀杆!30 mm 处的表面上未脱落的氧化皮及个别
氧化皮处向阀杆中心发展的浅沟型开裂的特征。图4
是浸蚀后浅沟及由浅沟发展的裂纹特征，该裂纹以倾
斜于杆颈表面方向向杆颈中心发展，深度约0 3mm，
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《金属热处理》2007 年第32 卷第4 期