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我公司某型柴油機(jī)，在運(yùn)行7305h后，發(fā)現(xiàn)第三缸活塞裙出現(xiàn)裂紋。為查找開(kāi)裂原因，我們將該活塞裙本體解剖，分別從化學(xué)成分、力學(xué)性能、低倍組織、斷口宏觀形貌、斷口顯微組織方面進(jìn)行了全面分析、判斷。

1.活塞裙技術(shù)要求

我公司活塞裙為模鍛件，所用材料為4032，材料交貨狀態(tài)為T6（固溶熱處理），材料化學(xué)成分符合GB/T3190，生產(chǎn)工藝過(guò)程為：鍛造→固溶化→人工時(shí)效→機(jī)加。

活塞裙經(jīng)鍛造、固溶、人工時(shí)效后需達(dá)到力學(xué)性能為：HBS=100～125(10/1000),σb≥280MPa，δ5≥1%。另外，四分之剖面的低倍組織不允許有偏析、裂紋、氣孔、夾雜物的缺陷，金屬流向方向大致沿鍛件外形輪廓分布，不允許有穿流、折疊；拉伸試樣端頭處取樣，用100倍或400被的顯微鏡檢查，不允許有夾雜物、偏析、過(guò)燒等有害缺陷。

2.發(fā)現(xiàn)裂紋過(guò)程    

圖1是送檢的活塞裙照片，從照片中可見(jiàn)明顯的裂紋，并且沿活塞外徑橫向擴(kuò)展，超過(guò)活塞外徑的1/4，穿透活塞壁厚。圖2是內(nèi)腔的裂紋形貌，裂紋經(jīng)過(guò)活塞銷孔、并沿銷孔由里向外延伸。圖3是用外力將活塞裙沿裂紋打開(kāi)的照片，目的是對(duì)裂紋斷口形貌進(jìn)行分析。圖4是將活塞裙沿互相垂直的中心線解剖的照片；目的是對(duì)活塞裙力學(xué)性能及低倍纖維流線進(jìn)行試驗(yàn)分析。

（1）對(duì)活塞裙化學(xué)成分進(jìn)行檢驗(yàn)，材料4032 GB/T3190，檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）     （%）

結(jié)論：化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T3190中4032的要求。

（2）對(duì)力學(xué)性能進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 力學(xué)性能檢測(cè)

結(jié)論：力學(xué)性能合格，符合設(shè)計(jì)要求。    

（3）對(duì)低倍組織進(jìn)行檢驗(yàn)、對(duì)斷口進(jìn)行分析。從圖5觀察得出：金屬纖維流向方向大致沿鍛件外形輪廓分布，無(wú)穿流、折疊現(xiàn)象，低倍組織正常；從圖6觀察得出：活塞裙裂紋起始端位于小油孔和活塞銷油槽形成的尖角部位，斷口形貌中未見(jiàn)明顯的塑性變形，宏觀可見(jiàn)典型的疲勞條帶，疲勞弧線中心指向油孔尖角處；圖7是活塞裙外表面裂紋末端形貌，從形貌中觀察得出：斷口中部可見(jiàn)疲勞條帶，接近自由表面的瞬斷區(qū)可見(jiàn)失穩(wěn)跳躍棱線。圖8是疲勞源區(qū)的油孔尖角處正面宏觀形態(tài)，從宏觀形態(tài)觀察得出：油孔尖角處可見(jiàn)未清理的毛刺飛邊及毛刺上的原始裂紋。從圖9觀察得出：斷口擴(kuò)展區(qū)形貌以解理形貌為主。

（4）將斷口置于光學(xué)顯微鏡下觀察，對(duì)纖維組織進(jìn)行分析。圖10是金相試樣在光學(xué)顯微鏡下的照片顯示，從照片中可以看出顯微組織為：α+(α+Si)+強(qiáng)化相及雜質(zhì)相，顯微組織正常，未見(jiàn)冶金及熱處理缺陷。圖11是斷面試樣置于掃描電鏡下的照片顯示，從照片中可以看出：斷口起源位于油孔加工尖角處。圖12是斷口起裂源區(qū)形貌，可以看出斷口最后斷裂區(qū)形貌以韌窩形貌為主。

3.結(jié)果與分析

（1）檢驗(yàn)結(jié)果分析

化學(xué)成分分析結(jié)果表明：活塞裙的化學(xué)成分符合GB/T3190中材料4032的要求?；钊沽W(xué)性能符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。金相組織和低倍組織正常，未見(jiàn)冶金、熱處理及鍛造缺陷。裂紋起源于活塞裙油孔與活塞銷孔油槽截交的銳角表面，裂紋整體沿活塞裙橫向、由里向外延伸擴(kuò)展，為典型的疲勞裂紋。

（2）開(kāi)裂原因分析

活塞裙在機(jī)加工后，油孔和活塞銷孔的油槽形成銳角，并殘留有未清理的毛刺，并且卷曲的毛刺上可見(jiàn)諸多原始裂紋，這些裂紋在活塞裙運(yùn)行過(guò)程中使塞裙疲勞開(kāi)裂。具體開(kāi)裂過(guò)程分析如下所述：

尖銳的邊部是應(yīng)力集中部位，細(xì)小的裂紋在應(yīng)力集中部位受外力作用，致使尖銳的邊部成為疲勞源區(qū)；疲勞源區(qū)對(duì)缺口的敏感性很高，最終缺口（裂紋）在應(yīng)力集中狀態(tài)下延伸散發(fā)，導(dǎo)致活塞裙開(kāi)裂。

裂紋是由油孔部位銳角邊上未清理的毛刺引起的疲勞裂紋，因此我們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)該在每道工序開(kāi)始之前作好零件清理工作，例如活塞裙應(yīng)該在鍛造、熱處理、機(jī)加工、裝配的每道工序開(kāi)始之前檢查零件表面有無(wú)凹坑、裂紋、毛刺等缺陷，如果有則應(yīng)進(jìn)行清理才可進(jìn)入下道工序，避免缺陷在后續(xù)生產(chǎn)或使用中擴(kuò)大而導(dǎo)致零件報(bào)廢。