تحليل خرابي ناشي از بارگذاري مكانيكي حرارتي - سيكلي براي يك سوپاپ دود در موتور ديزل سنگين

Failure analysis caused by cyclic thermo-mechanical loading for an exhaust valve in high-duty diesel engine

سوپاپ ها در موتورهاي احتراقي، تحت دماهاي زياد داراي كاركرد هستند و معمولا پديده خستگي، مهمترين آسيب در ايجاد خرابي آنهاست. لذا شناخت مكانيزم هاي خرابي ميتواند به فرايند طراحي و بهينه سازي اين گونه قطعات كمك كند. در اين مقاله، مكانيزم هاي خرابي در يك سوپاپ دود موتور ديزل سنگين (مربوط به كاميون ولوو) ، بررسي شده است. اين گونه سوپاپ ها از آلياژ فولاد Cr21Mn9Ni4N5) 1,4871) ساخته شده اند كه در معرض بارگذاري هاي مكانيكي- حرارتي طي شرايط كاركردي موتور، هستند. با توجه به اينكه اين نوع شكست، در چندين مورد تكرار و معمولا پس از طي مسافت 50 هزار كيلومتر ايجاد شده است، لذا نيازمند بررسي مي باشند. براساس مشاهدات سطح شكست و حضور خطوط ساحلي در نواحي مختلف، مي توان گفت كه نوع شكست، ناشي از پديده خستگي بوده است. همچنين، وجود يك تنش مكانيكي غير متعارف و دماي زياد (تنش حرارتي)، عامل اصلي مكانيزم شكست، تشخيص داده شده است. تنش مكانيكي مي تواند ناشي از عدم هم محوري در قطعات سوپاپ و يا نشيمنگاه آن بوده و تنش حرارتي نيز ميتواند ناشي از عبور گازهاي احتراق باشد.

Valves in combustion engines are working under high temperatures and the fatigue phenomenon is an important damage in failures of valves. Therefore, understanding failure mechanisms could assist designers for the design process and the optimization of such components. In this article, failure mechanisms in an exhaust valve of heavy diesel engine (related to the Volvo truck) has been analyzed. Such valves were made of 1.4871 steel alloy (Cr21Mn9Ni8N5), which were exposed to thermo-mechanical loadings according to the engine working condition. Since the failure was repeated in some cases after 50000 kilometers; therefore, the investigation requires. Based on observations of the fracture surface and the existence of beach marks in different regions, it could be said that the failure was due to the fatigue phenomenon. In addition, the existence of the undesirable mechanical stress and the high temperature (the thermal stress), were determined as main failure mechanism. The mechanical stress was due to have no proper coaxiality in the valve and the valve seat and also the thermal stress was based on passing of combustion gases.