活塞失效分析-第三方失效分析鉴定机构

客户背景

客户是成都某公司负责人，需要对自己使用的DB10停放活塞进行失效分析，所以请我们针对这样品，进行专业的测试，并提供第三方的检测报告

样品名称

DB10停放活塞

客户需求

失效分析

解决方案

沟通客户寄送样品，材料实验室接收到样品后开始进行最终的确认测试。我们按照客户的测试需求安排测试。

一、分析结果

1、对失效样品表面进行宏观观察，活塞外缘薄壁区域存在多处表面裂纹，分为左侧、右侧两条主裂纹，裂纹均起源于零件外表面并向基体内部纵深延伸。裂纹宽度约 2415.8~2426.5μm；左侧裂纹实测深度 2.6mm，右侧裂纹深度 4.0mm，裂纹两侧未见明显塑性形变，为脆性裂纹。断口表面清晰可见大小不一的气孔孔洞，气孔内壁光滑，无塑性韧窝。裂纹分布于壁厚突变的外缘薄壁处，该区域凝固收缩应力集中，是热裂纹高发位置。

2、对失效表面裂纹进行微观观察和能谱成分分析，断面形貌沿晶界，共晶网络分离，断面凹凸起伏，大量块状共晶硅裸露，无塑性韧窝、无穿晶断裂特征，断面圆融，可见自由凝固特征。判断为铝硅合金高温凝固热裂纹缺陷。断口全域分布大小不一气孔孔洞，气孔位置均为应力集中薄弱区。裂纹缺陷区域 Si 元素含量远高于正常基体，证明裂纹优先沿连续 Al-Si共晶相带开裂。裂纹缝隙断口缺陷区测试出高含量 C、O 元素，为铸造凝固残留氧化膜、低熔共晶氧化物是高温凝固晶间液膜氧化产物，热裂纹典型成分特征。局部测试微量 S、Cl、碱金属杂质，加剧晶界低熔液相形成，提升热裂倾向性。

3、对失效样品做横向纵向切片观察，基体组织为α相+富Si第二相，金相组织根据标准JB/T 7946.1-2017中的锶变变质说明可评级为变质正常。裂纹处常伴随有富硅第二相，为凝固后期形成的低熔点共晶相，这也进一步证实其为铸造热裂纹缺陷。裂纹附近组织中晶界处还可见球状铸造缩孔缺陷。该活塞裂纹为铸造凝固过程形成的皮下沿晶热裂纹，气孔为同步产生的原生铸造缺陷，二者共生分布于壁厚应力集中区。

4、对失效样品依照标准GB/T 7999-2015进行成分分析，满足标准GB/T 1173-2013标准中ZL111牌号成分要求。依照标准GB/T 231.1-2018对失效样品做布氏硬度测试，满足标准GB/T 1173-2013标准中ZL111牌号硬度要求。

综上所述，DB10停放活塞外缘存在剧烈壁厚突变，铸件凝固过程薄壁区域冷却速度远快于厚大部位，厚薄区域收缩不同步，产生较大晶间收缩拉应力，形成应力集中区域，为裂纹产生提供应力条件。同时铸造产生大量气孔，气孔形成应力缺口，加剧裂纹萌生、加深裂纹尺寸。活塞表面的裂纹为铸造热裂纹缺陷，建议优化铸造工艺，尽量避免气孔产生。

二、失效背景

样品名称：DB10停放活塞
产品材质：铝合金ZL111

批次号：2510

失效背景信息: 活塞材质为ZL111，生产加工工艺流程为: 铸造一热处理(535°C固溶+175°C时效)一机加工一氧化一无损测试。

失效现象：无损测试时表面发现裂纹。

三、宏观分析

对失效样品表面进行宏观观察，活塞外缘薄壁区域存在多处表面裂纹，分为左侧、右侧两条主裂纹，裂纹均起源于零件外表面并向基体内部纵深延伸。裂纹宽度约 2415.8~2426.5μm；左侧裂纹实测深度 2.6mm，右侧裂纹深度 4.0mm，裂纹两侧未见明显塑性形变，为脆性裂纹。断口表面清晰可见大小不一的气孔孔洞，气孔内壁光滑，无塑性韧窝。裂纹分布于壁厚突变的外缘薄壁处，该区域凝固收缩应力集中，是热裂纹高发位置。

四、断面微观观察及成分分析

对失效表面裂纹进行微观观察和能谱成分分析，断面形貌沿晶界，共晶网络分离，断面凹凸起伏，大量块状共晶硅裸露，无塑性韧窝、无穿晶断裂特征，断面圆融，可见自由凝固特征。判断为铝硅合金高温凝固热裂纹缺陷见图33。断口全域分布大小不一气孔孔洞，气孔位置均为应力集中薄弱区。裂纹缺陷区域 Si 元素含量远高于正常基体，证明裂纹优先沿连续 Al-Si 共晶相带开裂。裂纹缝隙断口缺陷区测试出高含量 C、O 元素，为铸造凝固残留氧化膜、低熔共晶氧化物，是高温凝固晶间液膜氧化产物，热裂纹典型成分特征。局部测试微量 S、Cl、碱金属杂质，加剧晶界低熔液相形成，提升热裂倾向性。

失效样品裂纹断面成分测试结果（部分）

元素	谱图 51	谱图 52	谱图 53	谱图 54	谱图 55	谱图 56
C	33.71	37.31	37.80	24.48	26.17	32.58
O	24.95	13.50	20.91	23.22	18.30	20.82
Mg	0.71	0.86	1.12	1.30	1.25	1.02
Al	12.93	13.99	16.89	22.26	21.75	19.13
Si	23.75	29.15	17.72	24.66	27.06	21.58
S	0.86	0.64	0.36	0.46	0.48	0.28
Cl	0.30	0.21	0.13	0.31	0.24	0.33
K	0.77	0.73	/	/	/	/
Mn	/	0.78	/	/	0.47	/
Fe	0.45	1.18	0.26	0.71	0.54
Cu	1.57	1.65	4.81	2.62	3.74	4.26
总量	100.00	100.00	100.00	100.00	100.00	100.00

元素	谱图 57	谱图 58	谱图 59	谱图 60
C	40.67	29.63	60.55	35.61
O	31.15	17.47	19.48	16.76
Na	0.73	/	0.42	0.32
Mg	0.52	1.59	0.23	0.95
Al	15.06	18.02	5.80	15.85
Si	6.51	24.37	11.44	25.99
S	0.79	0.34	0.51	0.40
Cl	0.77	/	0.50	0.25
K	0.66	/	0.31	0.30
Fe	/	/	/	0.22
Cu	3.16	8.57	0.77	3.35
总量	100.00	100.00	100.00	100.00

五、金相分析

对失效样品做横向纵向切片观察，基体组织为α相+富Si第二相，金相组织根据标准JB/T 7946.1-2017中的锶变变质说明可评级为变质正常。裂纹处常伴随有富硅第二相，为凝固后期形成的低熔点共晶相，这也进一步证实其为铸造热裂纹缺陷。裂纹附近组织中晶界处还可见球状铸造缩孔缺陷。该活塞裂纹为铸造凝固过程形成的皮下沿晶热裂纹，气孔为同步产生的原生铸造缺陷，二者共生分布于壁厚应力集中区。

六、化学成分、硬度分析

对失效样品依照标准GB/T 7999-2015进行成分分析，满足标准GB/T1173-2013标准中ZL111牌号成分要求。依照标准GB/T 231.1-2018对失效样品做布氏硬度测试，满足标准GB/T 1173-2013标准中ZL111牌号硬度要求。

失效样品材质化学成分分析（wt%）

元素	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr
技术要求	8.0~10.0	≤0.4	1.3~1.8	0.10~0.35	0.4~0.6	/
失效样品实测值	9.62	0.19	1.66	0.23	0.50	0.004
元素	Ni	Zn	Ti	Pb	Sn	Al
技术要求	/	≤0.1	0.10~0.35	≤0.05	≤0.05	余量
失效样品实测值	0.004	0.02	0.12	＜0.001	0.005	87.58

测试项目	单位	技术要求	测试结果
失效样品布氏硬度	HBW 5/250	≥100	详见下表15

测试位置	1	2	3	平均值
失效样品布氏硬度	124	123	125	124

客户反馈

客户在拿到测试数据后，提出了一些疑问。我方第一时间沟通解决了的客户的疑问。