Определение причин разрушения поршня автомобильного двигателя

К нам в лабораторию обратился Заказчик со следующей проблемой: произошло заклинивание двигателя автомобиля по причине разрушения одного из поршней. В испытательной лаборатории "МЕТАЛЛ-ЭКСПЕРТИЗА ТЕСТ" проведено комплексное исследование по определению причин разрушения поршня. Общий вид поршней, предоставленных для металловедческой экспертизы, показан на фотографии. Объектом анализа стал один поршень, имеющий трещины в металле перемычек между маслосъемными кольцами. 

Для проведения химического анализа от металла поршня был отобран образец из зоны трещинообразования. Отбор образца именно из этой зоны был произведен для того, чтобы получить объективную картину по химическому составу. В процессе литья происходит перераспределение легирующих элементов в матрице основного металла и химический состав по сечению может отличаться.

Для измерения твердости и металлографического анализа был выбран металл перемычки, которая была отделена от корпуса поршня разросшейся трещиной. Излом перемычки хрупкий без явных следов пластической деформации, это свидетельствует о том, что в момент трещинообразования отсутствовало сильное механическое воздействие на металл перемычки.

Нормативная документация, нормирующая химический состав металла исследуемого поршня, отсутствует. Но, исходя их общемировой практики, можно предположить, что поршень должен быть изготовлен из эвтектического силумина (сплав алюминия и 12 %кремния), частный случай силумин АК12 по ГОСТ 1583-93. Результаты химического анализа представлены в таблице.

По результатам химического анализа установлено, отклонение состава сплава от оптимального, а именно: завышено содержание железа и занижен кремний. Увеличение содержания железа приводит к снижению прочностных свойств, а уменьшение содержания кремния, относительно эвтектической точки (12% Si) приводит к увеличению количества кристаллов первичного кремния в сплаве.

Для оценки влияния условий эксплуатации на структуру металла проведено металлографическое исследование. Травление шлифов проводили 20%-ым раствором плавиковой кислоты в воде.

По результатам металлографического анализа установлено, что металл перемычки поршня имеет структуру немодифицированного эвтектического силумина, которая характеризуется эвтектикой (α-фаза + кремний). Кремний присутствует в виде кристаллов первичной кристаллизации угловатой формы и виде игл кремния эвтектического. Стоит отметить большое количество кристаллов первичного кремния в структуре металла поршня в районе перемычки. Появление в структуре сплавов крупных кристаллов первичного кремния вызывает снижение прочности и пластичности.

В результате дюрометрического исследования определено, что твердость металла перемычки поршня составляет 79 HB. Согласно ГОСТ Р 53558-2009 (п.3.4) «Автомобильные транспортные средства. Поршни алюминиевые двигателей. Общие технические требования и методы испытаний» твердость металла поршня должна находиться в пределах 80-120 HB. Твердость металла исследованного поршня хоть и незначительно, но все же ниже минимально допустимой по ГОСТ Р 53558-2009.

Выводы

В результате проведения комплексного исследования металла поршня установлено:

1. В исследуемом поршне присутствует трещины между перемычкой и основным металлом. Излом хрупкий без явных следов пластической деформации, это свидетельствует о том, что в момент трещинообразования отсутствовало сильное механическое воздействие на металл перемычки.
2. Металл исследуемого поршня по химическому составу имеет отклонение от оптимального, а именно: завышено содержание железа и занижен кремний. Увеличение содержания железа приводит к снижению прочностных свойств, а уменьшение содержания кремния, относительно эвтектической точки (12% Si) приводит к увеличению количества кристаллов первичного кремния в сплаве.
3. Металл перемычки поршня имеет структуру немодифицированного эвтектического силумина, которая характеризуется эвтектикой (α-фаза + кремний). Кремний присутствует в виде кристаллов первичной кристаллизации угловатой формы и виде игл кремния эвтектического. Стоит отметить большое количество кристаллов первичного кремния в структуре металла поршня в районе перемычки.
4. Твердость металла исследованного поршня ниже минимально допустимой по ГОСТ Р 53558-2009 на 1 HB.

<<<предыдущая статья   следующая статья>>>