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1、柴油机高压油管开裂失效分析柴油机高压油管开裂失效分析一、引一、引 言言据委托方报告据委托方报告,某台柴油机的某台柴油机的2 件高压件高压油管在装机使用油管在装机使用 1258 小时后发生断裂。小时后发生断裂。2件高压油管分别装配于同一台柴油机件高压油管分别装配于同一台柴油机的第的第 2 缸和第缸和第 4 缸。根据技术要求缸。根据技术要求,该该型号型号高压油管材质高压油管材质 为为 20#,其其 静静 态态 力力 学学 性性 能能 应满应满 足足:本文通过对断裂油管断口形态、本文通过对断裂油管断口形态、表面表面缺陷、缺陷、金相组织的观察及力学性能的金相组织的观察及力学性能的测定测定,确定其失效原
2、因及断裂性质。确定其失效原因及断裂性质。二、检测分析结果二、检测分析结果2.1 断口及表面缺陷观察断口及表面缺陷观察断裂高压油管示于图断裂高压油管示于图 1,从图从图 1 可见可见 1#油管的断裂位置位于油油管的断裂位置位于油管的弯曲圆角处管的弯曲圆角处,2#油管的断裂位置位于一端接口管套内油管的断裂位置位于一端接口管套内约约 210 mm 深处深处,且其外层接口管套已与管体分离。观察表明且其外层接口管套已与管体分离。观察表明,2#油管油管断裂位置一侧与外管套接触面位置出现了明显旋紧摩擦痕迹断裂位置一侧与外管套接触面位置出现了明显旋紧摩擦痕迹,其其表面镀锌层已被磨去表面镀锌层已被磨去,这说明这
3、说明 2#油管断裂端旋合较紧油管断裂端旋合较紧,所受的所受的拧紧力较大拧紧力较大。而。而 1#油管以及油管以及 2#油管另一端的外管套接触面均油管另一端的外管套接触面均无明显的旋紧摩擦痕迹。无明显的旋紧摩擦痕迹。二、检测分析结果二、检测分析结果1#有有明显的疲劳断裂痕迹明显的疲劳断裂痕迹-贝纹线贝纹线，从贝纹线特征可知从贝纹线特征可知,1#油管的断裂源位油管的断裂源位于弯曲圆角的内凹一侧表面于弯曲圆角的内凹一侧表面,裂纹沿径向扩展裂纹沿径向扩展,直至圆角外凸一侧直至圆角外凸一侧,失效性失效性质属于质属于单向弯曲疲劳断裂单向弯曲疲劳断裂。油管的油管的瞬时终断区面积较大瞬时终断区面积较大,约占其截
4、面积的约占其截面积的 1/3,说明说明 1#油管断裂前所受的外载荷较大油管断裂前所受的外载荷较大。二、检测分析结果二、检测分析结果2#有有明显的疲劳断裂痕迹明显的疲劳断裂痕迹-贝纹线贝纹线，存在存在 2 个相对的疲劳源个相对的疲劳源,裂纹源均位于裂纹源均位于油管的外表面油管的外表面,其中一个疲劳裂纹扩展距离较长其中一个疲劳裂纹扩展距离较长,另一个疲劳裂纹扩展距离另一个疲劳裂纹扩展距离较短较短,失效性质属于双向弯曲疲劳断裂失效性质属于双向弯曲疲劳断裂。2#油管的瞬时终断区面积较小油管的瞬时终断区面积较小,说明说明 2#油管断裂前所受的外载荷较小油管断裂前所受的外载荷较小。二、检测分析结果二、检测
5、分析结果2 件油管的裂纹源区均无明显的冶金夹杂物件油管的裂纹源区均无明显的冶金夹杂物，1#油管的裂纹源区存在原始机油管的裂纹源区存在原始机加工形成的凹陷加工形成的凹陷(图图 4),2#油管的裂纹源区无机加工缺陷油管的裂纹源区无机加工缺陷(图图5)。二、检测分析结果二、检测分析结果2.2 金相组织观察金相组织观察2 件油管的径向剖面金相组织如图件油管的径向剖面金相组织如图 6 所示所示,油管的基体组织均由铁油管的基体组织均由铁素体素体+少量珠光体组成少量珠光体组成,1#油管晶粒较细油管晶粒较细,2#油管的晶粒略粗油管的晶粒略粗。二、检测分析结果二、检测分析结果2.3 化学成分测定化学成分测定用光
6、谱化学分析的方法测定了用光谱化学分析的方法测定了 2 件油管的基体化学成分件油管的基体化学成分,并利用并利用 EDAX 能谱仪能谱仪测定了裂纹源区断面以及侧面的微区化学成分测定了裂纹源区断面以及侧面的微区化学成分,结结果见表果见表 1。表表 1 结果表明结果表明,2 件油管的化学成分符合技术要求件油管的化学成分符合技术要求,油油管断面裂纹源区也无其它杂质元素管断面裂纹源区也无其它杂质元素。2.4 力学性能测定力学性能测定将将 2 件油管残段弯直后加工成拉伸试棒件油管残段弯直后加工成拉伸试棒,用用 MTS-800液压司液压司服系统测定两件失效油管的拉伸力服系统测定两件失效油管的拉伸力 学性能。拉
7、伸力学性能和学性能。拉伸力学性能和硬度试验结果见表硬度试验结果见表 2。结果表明结果表明,1#油管的静态力学性能和硬度均符合技术要求油管的静态力学性能和硬度均符合技术要求,但但 2#油管的屈服强度和平均硬度略低于技术要求下限油管的屈服强度和平均硬度略低于技术要求下限。二、检测分析结果三、失效原因分析三、失效原因分析综上观测分析可知综上观测分析可知,2 件高压油管的基体化学成分均符合技术件高压油管的基体化学成分均符合技术要求要求,基体组织均由铁素体基体组织均由铁素体+少量珠光体组成少量珠光体组成,且无明显的夹且无明显的夹杂物和异常组织。杂物和异常组织。2 件高压油管的失效性质均属疲劳断裂件高压油
8、管的失效性质均属疲劳断裂,但其失效形式和原因但其失效形式和原因有所不同。有所不同。1#油管油管的断裂位置位于油管的弯曲圆角处的断裂位置位于油管的弯曲圆角处,断裂源位于弯曲圆断裂源位于弯曲圆角的内凹一侧表面角的内凹一侧表面,失效性质属于单向弯曲疲劳断裂。尽管其失效性质属于单向弯曲疲劳断裂。尽管其静态力学性能和硬度均符合技术要求静态力学性能和硬度均符合技术要求,但但裂纹源区存在原始机裂纹源区存在原始机加工形成的凹陷。由于部件疲劳强度对其外表面缺陷和加工加工形成的凹陷。由于部件疲劳强度对其外表面缺陷和加工质量非常敏感质量非常敏感，尤其是拉应力集中部位的表面加工缺陷常常尤其是拉应力集中部位的表面加工缺
9、陷常常是引起疲劳断裂的根源是引起疲劳断裂的根源,加之装配过程中油管内凹一侧受有拉加之装配过程中油管内凹一侧受有拉伸应力伸应力,导致了导致了 1#油管发生了单向弯曲疲劳断裂油管发生了单向弯曲疲劳断裂。三、失效原因分析三、失效原因分析2#油管油管的断裂位置位于一端的接口管套内的断裂位置位于一端的接口管套内,它存在它存在 2 个个相对的疲劳源相对的疲劳源,失效性质属于失效性质属于双向弯曲疲劳断裂双向弯曲疲劳断裂。2#油管的基体油管的基体晶粒略粗晶粒略粗,其屈服强度和平均硬度略低于技其屈服强度和平均硬度略低于技术要求下限。由于低强度结构材料的应力疲劳强度与术要求下限。由于低强度结构材料的应力疲劳强度与
10、其屈服强度成正比其屈服强度成正比，即屈服强度愈低即屈服强度愈低,其应力疲劳强度其应力疲劳强度也愈低。也愈低。2#油管的油管的屈服强度较低屈服强度较低,其应力疲劳强度也其应力疲劳强度也应较低应较低,加之加之 2#油管断裂端的旋合较紧油管断裂端的旋合较紧,断裂位置所受断裂位置所受的拧紧拉伸外力和弯曲振动载荷较大的拧紧拉伸外力和弯曲振动载荷较大,引起引起 2#油管在油管在该处发生了双向弯曲疲劳断裂该处发生了双向弯曲疲劳断裂。四、小结、结语四、小结、结语结语结语v(1)2 件高压油管的基体化学成分均符合技术要求件高压油管的基体化学成分均符合技术要求,基体金基体金相组织均由铁素体相组织均由铁素体+少量珠
11、光体组成少量珠光体组成,且基体无明显的异常且基体无明显的异常组织和夹杂物。组织和夹杂物。v(2)1#油管的断裂位置位于油管的弯曲圆角处油管的断裂位置位于油管的弯曲圆角处,断裂源位于断裂源位于圆角的内凹一侧表面。裂纹源区存在原始的机加工凹陷圆角的内凹一侧表面。裂纹源区存在原始的机加工凹陷,加加之装配、之装配、运行过程中油管内凹一侧受有较大的拉应力运行过程中油管内凹一侧受有较大的拉应力,导致导致 1#油管发生了单向弯曲疲劳断裂。油管发生了单向弯曲疲劳断裂。v(3)2#油管的断裂位置位于一端的接口管套内油管的断裂位置位于一端的接口管套内,它存在它存在 2 个个疲劳源。疲劳源。2#油管的基体晶粒略粗油管的基体晶粒略粗,屈服强度和平均硬度略低屈服强度和平均硬度略低于技术要求下限于技术要求下限,加之油管断裂端的旋合较紧加之油管断裂端的旋合较紧,断裂位置所受断裂位置所受的拧紧拉伸外力和弯曲振动载荷较大的拧紧拉伸外力和弯曲振动载荷较大,引起了引起了 2#油管发生双油管发生双向弯曲疲劳断裂向弯曲疲劳断裂