氣門是四沖程發(fā)動機配氣機構(gòu)的重要零件之一，它的工作性能是否良好，直接影響著發(fā)動機動力的正常發(fā)揮。氣門的工作條件非常惡劣，不但要承受高溫氣體腐蝕、氣門落座沖擊力、氣體壓力、因溫度梯度而產(chǎn)生的熱應(yīng)力及盤部錐面熱脹應(yīng)力，而且還要承受高溫，進氣門一般承受的溫度高達300℃～400℃，排氣門承受的溫度高達600℃～800℃。
某四缸汽油機在進行300h冷熱沖擊試驗時，動力性能突然降低并且伴有異響，拆機發(fā)現(xiàn)一缸排氣門在頸部斷裂，排氣門盤部已經(jīng)掉入燃燒室，下面就對此故障進行分析。首先對故障件分析，然后在斷口處提取樣品進行化學(xué)成分、金相組織分析，并對斷口處進行硬度分析，又經(jīng)過溫度場試驗檢測后查出原因，最后對排氣門進行改進設(shè)計并試驗驗證。
一、排氣門頸部斷裂的原因主要有:
1)排氣門質(zhì)量問題，零部件尺寸、化學(xué)成分或者力學(xué)性能等不符合設(shè)計要求;
2)排氣溫度高于排氣門所能承受的溫度，導(dǎo)致熱疲勞斷裂;
3)氣門座圈脫落，造成氣門單邊落座而造成交變彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致頸部斷裂;
4)氣門與氣門導(dǎo)管間隙過大，導(dǎo)致氣門在運動過程中擺動造成氣門桿部磨損，溫度升高，氣門落座不正，受力不均勻，最終導(dǎo)致頸部斷裂;
5)氣門彈簧折斷或者氣門鎖夾脫落導(dǎo)致氣門直接掉入氣缸，活塞撞氣門造成斷裂。
經(jīng)過初步排查，氣門座圈沒有脫落，氣門與導(dǎo)管間隙符合要求，氣門彈簧和鎖夾正常，排除了3)，4)，5)原因造成的斷裂，因此繼續(xù)從產(chǎn)品質(zhì)量和排溫方面進行排查。
二、故障件分析
排氣門斷裂位于氣門盤部與桿部的過渡位置，此處是氣門的應(yīng)力集中點，同時也是高溫集中點，是氣門較容易出現(xiàn)失效的部位;觀察氣門桿部與搖臂接觸面磨損均勻且輕微，未見表面碰傷;氣門鎖夾槽未見磨損與碰傷，且鎖夾槽完好無損;桿部靠近頸部區(qū)表面有橫向彎曲疲勞紋，氣門桿部有輕微的偏磨情況;頭部已被撞擊破碎變形，是氣門斷裂后掉入燃燒室導(dǎo)致。進一步對斷裂源進行分析，斷面上存在較多臺階，從圖中箭頭所示處開始按逆時針方向觀察，臺階越來越高;同時對各個擴展平面大小進行觀察，圖中箭頭所示區(qū)的平面最大，逆時針方向各擴展平面越來越小，從而說明氣門受到周向疲勞，而且箭頭所示區(qū)為主裂源區(qū)，此斷裂屬于多源疲勞斷裂。同時發(fā)現(xiàn)斷面及頸部有積碳層，而且有的已剝落，如圖6所示，說明氣門斷裂處受到高溫氧化。
三、化學(xué)成分分析
如果氣門所用材料的化學(xué)成分不符合設(shè)計要求，將可能加速氣門的疲勞斷裂。因此，對該氣門化學(xué)成分進行分析檢查。該排氣門盤部采用的材料是21－4NWNb，在裂紋源處沿軸向取樣，進行化學(xué)成分檢驗。檢測結(jié)果見表1，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
四、金相分析
觀察分析斷裂處周圍的金相組織是否正常，在主斷裂源處縱向取樣長約25mm，觀察斷口處及桿部表面均有不同深度的氧化層，主裂源區(qū)氧化層深度與頸部表面氧化層相近，深度為0.033mm，如圖7所示，近斷口處顯微組織奧氏體晶界有熔解，碳化物是重新分布后的粒狀珠光體組織，即中溫軟化組織，說明氣門工作溫度較高，超過21－4NWNb材料的使用溫度700℃。進一步檢測取樣的硬度，技術(shù)要求中桿部的硬度要求是(35～40)HＲC，在取樣中采集三個點的硬度，發(fā)現(xiàn)硬度低于要求值，高溫已經(jīng)導(dǎo)致氣門硬度降低，檢測結(jié)果見表2。
進一步分析，金相顯微組織顯示氣門工作溫度較高，是高溫時效過程，奧氏體晶界被熔化，碳化物被球化，碳氧化物重新分布，組織轉(zhuǎn)變成粒狀珠光體組織，改變了基體中合金元素M23C6的組成，導(dǎo)致21－4NWNb材料的高溫持久性能大大降低，同時高溫也加速基體材料氧化腐蝕，在氣門頸部易形成疏松、氧化層，加上氣門有偏磨，氣門工作時在頸部產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，在氣門較薄弱的部位形成裂紋源，加上交變的彎曲應(yīng)力和過熱綜合作用產(chǎn)生的多源疲勞，從而大大縮短了氣門的使用壽命。
五、受力分析
因為氣門斷裂也有可能是因為氣門所承受的拉伸力高從而加速失效，所以用一臺同型號的發(fā)動機進行100h試驗，拆機后發(fā)現(xiàn)排氣門頸部直徑尺寸由Φ5.5mm降為Φ5.1mm，如圖10所示。通過檢測，桿頸伸長為0.17mm，低于理論伸長量0.55mm，因此排除了拉伸力太大造成的失效。
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