发电机组排气阀断裂原因与断口形貌分析

某柴油机排气阀服役运行约3万h后断裂。该排气阀曾经无损探伤，发现在距大端面150-160mm的杆部存在多条相互平行的断续状周向裂纹，经打磨排除裂纹后，于2016年1月19日再探伤复检，在原裂纹处未发现宏观可分辨的明显裂纹，故继续投入服役运行。至2016年9月，发电机组出现故障，该排气阀杆部发生弯曲变形，从安装位置脱出，掉落在落差约4m的地面上发生断裂，其断裂部位恰好在距大端面150-160mm的杆部，即原来无损探伤检测到裂纹的部位。

图1断裂排气阀的实物形貌

图1为断裂排气阀杆一侧的宏观断口形貌。在断杆边缘存在呈深灰带黄色的半月形区域(箭头A所指)，及其对侧边缘部位同样存在一个呈灰白色的半月形区域(箭头B所指），它们的断口宏观形貌具有疲劳起源区的特征，但不在同一高度的平面上；由A部位至断杆心部为——“平坦”的占整个断口面接近一半的面积的断面区域(图中G所指区域)，其宏观形貌特征是起始于A半月形圆弧区域向杆心部扩展的放射状条纹，表明裂纹具有快速扩展特征；而B区的这类裂纹快速扩展区不明显，由断杆心部至杆的另一边缘(B区)出现一凹陷区域，它与G和B区均约成45度角相交，表明该区域属最后瞬间断裂区。由此可以断定，排气阀断裂属二源疲劳断裂，疲劳起源于阀杆表面，即箭头A和B所指部位，其中A是最先发生疲劳开裂的部位。此外，在近断口两侧区的阀杆表面存在多条相互平行的同向裂纹。

在图1中所指A、E、F和G部位截取断口试样，经物理方法仔细清洗断口面后进行断口微观观察，结果见图2，A所指部位为裂纹起源区，腐蚀产物覆盖在断口表面，细节不易分辨，仅可见大量坑孔和二次裂纹，这表明其裂纹起源与运行工况、环境介质有关。E所指部位是裂纹稳定扩展区，此区域属最先形成的断口，尽管断口面已经认真清洗，但仍覆盖着因受环境介质作用而产生的粘附紧密的腐蚀薄膜，干扰了断口微观形貌的细节观察，仅模糊显现解理和准解理脆断特征及存在较明显的沿晶扩展的二次裂纹。F所指部位是裂纹稳定扩展区与失效快速扩展区的交界处，可见解理断裂特征的河流状花样和类似疲劳微观特征的断续辉纹。G所指部位为裂纹快速扩展区，为典型的解理和准解理撕裂特征。由此可见，排气阀断裂为腐蚀疲劳开裂引发的瞬间应力脆断。

(a)图1中A部位形貌

(b)图1中E部位形貌

(c)图1中F部位形貌

(d)图1中G部位形貌

图2断口微观SEM形貌图