排气阀是内燃机换气机构的重要组成部分，在频繁的起落过程中，排气阀除了承受很高的热负荷之外，还承受较大的交变机械负荷，因此排气阀也是内燃机的易损件之一。某发电机组大修时换上一批新气阀，结果试车运行仅10～30min就出现排气阀杆断裂现象。为了查找该批次阀杆早期断裂的原因，对其进行了失效分析。
1 外观检验
该批次排气阀杆体准6.0mm，阀盘准30mm，总长度约105mm。在阀杆顶部有一锁槽，用以防止阀杆上端凹槽处断裂后气阀掉入气缸，其结构如图1所示。失效排气阀断裂的部位均在锁槽处，如图1中箭头所指。
图1 排气阀断裂部位
对这批失效排气阀的断口进行仔细检查，发现排气阀的各部位均无外力撞击、擦划、腐蚀和偏磨等外观损伤，表明排气阀断裂前均运行正常，其断裂与外物撞击及燃气腐蚀无关。
2 排气阀杆化学成分与金相组织
2.1 化学成分分析
对排气阀杆进行材料的化学成分分析，其结果如表1所示。可见该排气阀杆用材为5Cr21Mn9Ni4N（21-4N）奥氏体沉淀硬化气阀钢，其成分含量符合要求。
表1 排气阀杆的化学成分含量（质量分数，%）
2.2 阀杆组织观察
为了检测和判断该排气阀杆用材的冶金质量和热处理工艺及其质量，对排气阀杆进行了金相检查和分析，取样部位包括排气阀阀杆和锁槽断裂处两部分。对试样磨光、抛光后，不进行侵蚀而直接进行显微观察，其结果如图2所示。可见阀杆材料内部有较多的颗粒状夹杂物，这些夹杂物尺寸不大，但数量较多，均匀分布在阀杆内部。阀杆内部的这些非金属夹杂物破坏了阀杆组织的连续性，容易成为气阀工作时的应力集中处，诱发内部裂纹。
图2 排气阀杆内部夹杂物形态
对断裂锁槽部位的试样侵蚀，然后进行金相组织分析，其结果如图3（a）所示。可以看到断裂锁槽处的内外晶粒大小不均匀，外部晶粒粗大，而心部晶粒细小，中间有明显的过渡区。即阀杆表面存在一层粗晶粒层，其厚度大约1mm。对过渡区进一步放大观察，晶粒大小的不均匀性更为明显，见图3（b）。
图3 排气阀锁槽处组织形态
对阀杆进行硬度测试，结果外部粗晶层的硬度为319～322HV，而心部细晶区的硬度为347～356HV，高于外部粗晶区硬度。可见阀杆内外组织的不均匀性导致材料内外力学性能不均一，这对颈缩的锁槽部位危害极大，容易加大应力集中，诱发裂纹。
3 排气阀杆断口分析
3.1 宏观断口分析
图4为失效排气阀杆断口的低倍形貌。可见，断口位于排气阀杆锁槽圆角的锁槽杆部。圆形断口的外周是若干个由表及里、大小深浅不同的放射扇形区，各扇形区由放射棱角分隔，形成一个环形扩展带。断口中央是占总面积1/2左右的椭圆形区，从其粗糙程度可以断定它是最后断裂的部分。
图4 排气阀锁槽断口宏观形貌
3.2 微观断口分析
图5为图4中左上断口放射花样的局部观察。可以看出，裂纹扩展的扇形区发展的深浅和宽度不同，表明这些扇形带上是由多个位置不同、先后形成的裂纹源扩展而成。由图4右下比较清晰的扇形区也可发现，该处裂纹扩展深度和宽度与左上断口也有不同。这种多源断口表明，该排气阀杆是在较大的冲击应力作用下先后形成裂纹，并迅速扩展而断裂的。由于裂纹源较多，其位置和形成时间不同，它们会沿着扇形纵、宽方向扩展，最后连接而成环形放射棱带。
图5 锁槽断口上裂纹扩展区
对断口心部的最后断裂区进行观察，其形貌如图6所示。可见，最后断裂区存在韧窝和大量的拉伸二次裂纹，并且这些二次裂纹形状大小不同。这表明该排气阀杆是在高频率、大冲击载荷作用下，裂纹从表面开始，高速扩展而最后断裂的。
图6 锁槽最后断裂区形貌
从图6还可发现，阀杆整个断口上都有较多的黑色点状物分布。对其中两个黑色球状物进行放大观察，结果如图7所示。从图7可以观察到在这些黑色球状物上有明显的裂纹。可见这些黑色点状物对于阀杆而言，作为内部裂纹源而存在。对这些黑色球状物进行电子探针微区成分分析（EDS）后可知，这些黑色球状物是以碳为主的夹杂物或碳化物。它们实际上也是图2中所观察到的夹杂物。
图7 排气阀断口点状物形貌
4 断裂原因分析
当内燃机气缸内废气排完后，在气门弹簧恢复力、阀头惯性力以及废气的反冲力联合作用下排气阀进行关闭，且其关闭速度极高，并伴有严重冲击。这样在阀头与锁颈肩之间阀杆上就会相应产生很大的高频冲击拉伸应力。由于锁槽处尺寸较小，所以高频冲击应力往往会在此颈缩处发生极高的能量集中，即所谓的能量尺寸效应，从而在气阀锁槽表面形成极大的冲击应力集中。
通过上述失效分析，可以得知这批排气阀杆体表面存在粗晶粒层，这使得阀杆表面强度较差，容易产生裂纹。粗晶粒层对应力集中的锁槽部位危害更大，极易产生表面裂纹。同时阀杆心部又有较多的含碳夹杂物分散，它们作为内部裂纹源或裂纹易扩展的通道[4]，加速气阀的失效，导致该批次排气阀短时运行即发生早期断裂。
通常采用5Cr21Mn9Ni4N（21-4N）奥氏体沉淀硬化气阀钢制作排气阀，要经过轧制、锻造和固溶处理等几个加工环节。失效排气阀杆体表层出现粗晶层，可能与其轧制温度过高有关。而由于失效排气阀运行时间尚短，其内部大量的含碳夹杂物不会是在柴油机排气较高温度的作用下发生过时效的结果，而应该与它的固溶处理不当有关。因此采取适当的热加工工艺，如胎模锻造工艺来制作排气阀可以大大提高其合格率。
5 结语
排气阀杆锁槽早期断裂主要是由于阀杆组织存在表面粗晶层，在高频冲击应力作用下，阀杆的锁槽处形成严重的能量集中和表面应力集中，在锁槽圆周产生多个裂纹源。同时，阀杆内部大量分散的夹杂物又形成内部应力集中源，加速排气阀杆的断裂，导致阀杆早期断裂。建议采用合适的热加工工艺，避免产生裂纹，以提高排气阀杆的合格率。
摘自互联网