發(fā)電機(jī)組排氣閥斷裂原因與斷口形貌分析

某柴油機(jī)排氣閥服役運(yùn)行約3萬h后斷裂。該排氣閥曾經(jīng)無損探傷，發(fā)現(xiàn)在距大端面150-160mm的桿部存在多條相互平行的斷續(xù)狀周向裂紋，經(jīng)打磨排除裂紋后，于2016年1月19日再探傷復(fù)檢，在原裂紋處未發(fā)現(xiàn)宏觀可分辨的明顯裂紋，故繼續(xù)投入服役運(yùn)行。至2016年9月，發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障，該排氣閥桿部發(fā)生彎曲變形，從安裝位置脫出，掉落在落差約4m的地面上發(fā)生斷裂，其斷裂部位恰好在距大端面150-160mm的桿部，即原來無損探傷檢測(cè)到裂紋的部位。

圖1斷裂排氣閥的實(shí)物形貌

圖1為斷裂排氣閥桿一側(cè)的宏觀斷口形貌。在斷桿邊緣存在呈深灰?guī)S色的半月形區(qū)域(箭頭A所指)，及其對(duì)側(cè)邊緣部位同樣存在一個(gè)呈灰白色的半月形區(qū)域(箭頭B所指），它們的斷口宏觀形貌具有疲勞起源區(qū)的特征，但不在同一高度的平面上；由A部位至斷桿心部為——“平坦”的占整個(gè)斷口面接近一半的面積的斷面區(qū)域(圖中G所指區(qū)域)，其宏觀形貌特征是起始于A半月形圓弧區(qū)域向桿心部擴(kuò)展的放射狀條紋，表明裂紋具有快速擴(kuò)展特征；而B區(qū)的這類裂紋快速擴(kuò)展區(qū)不明顯，由斷桿心部至桿的另一邊緣(B區(qū))出現(xiàn)一凹陷區(qū)域，它與G和B區(qū)均約成45度角相交，表明該區(qū)域?qū)僮詈笏查g斷裂區(qū)。由此可以斷定，排氣閥斷裂屬二源疲勞斷裂，疲勞起源于閥桿表面，即箭頭A和B所指部位，其中A是最先發(fā)生疲勞開裂的部位。此外，在近斷口兩側(cè)區(qū)的閥桿表面存在多條相互平行的同向裂紋。

在圖1中所指A、E、F和G部位截取斷口試樣，經(jīng)物理方法仔細(xì)清洗斷口面后進(jìn)行斷口微觀觀察，結(jié)果見圖2，A所指部位為裂紋起源區(qū)，腐蝕產(chǎn)物覆蓋在斷口表面，細(xì)節(jié)不易分辨，僅可見大量坑孔和二次裂紋，這表明其裂紋起源與運(yùn)行工況、環(huán)境介質(zhì)有關(guān)。E所指部位是裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)，此區(qū)域?qū)僮钕刃纬傻臄嗫冢M管斷口面已經(jīng)認(rèn)真清洗，但仍覆蓋著因受環(huán)境介質(zhì)作用而產(chǎn)生的粘附緊密的腐蝕薄膜，干擾了斷口微觀形貌的細(xì)節(jié)觀察，僅模糊顯現(xiàn)解理和準(zhǔn)解理脆斷特征及存在較明顯的沿晶擴(kuò)展的二次裂紋。F所指部位是裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)與失效快速擴(kuò)展區(qū)的交界處，可見解理斷裂特征的河流狀花樣和類似疲勞微觀特征的斷續(xù)輝紋。G所指部位為裂紋快速擴(kuò)展區(qū)，為典型的解理和準(zhǔn)解理撕裂特征。由此可見，排氣閥斷裂為腐蝕疲勞開裂引發(fā)的瞬間應(yīng)力脆斷。

(a)圖1中A部位形貌

(b)圖1中E部位形貌

(c)圖1中F部位形貌

(d)圖1中G部位形貌

圖2斷口微觀SEM形貌圖