气门是四冲程发动机配气机构的重要零件之一，它的工作性能是否良好，直接影响着发动机动力的正常发挥。气门的工作条件非常恶劣，不但要承受高温气体腐蚀、气门落座冲击力、气体压力、因温度梯度而产生的热应力及盘部锥面热胀应力，而且还要承受高温，进气门一般承受的温度高达300℃～400℃，排气门承受的温度高达600℃～800℃。
某四缸汽油机在进行300h冷热冲击试验时，动力性能突然降低并且伴有异响，拆机发现一缸排气门在颈部断裂，排气门盘部已经掉入燃烧室，下面就对此故障进行分析。首先对故障件分析，然后在断口处提取样品进行化学成分、金相组织分析，并对断口处进行硬度分析，又经过温度场试验检测后查出原因，最后对排气门进行改进设计并试验验证。
一、排气门颈部断裂的原因主要有:
1)排气门质量问题，零部件尺寸、化学成分或者力学性能等不符合设计要求;
2)排气温度高于排气门所能承受的温度，导致热疲劳断裂;
3)气门座圈脱落，造成气门单边落座而造成交变弯曲应力，导致颈部断裂;
4)气门与气门导管间隙过大，导致气门在运动过程中摆动造成气门杆部磨损，温度升高，气门落座不正，受力不均匀，最终导致颈部断裂;
5)气门弹簧折断或者气门锁夹脱落导致气门直接掉入气缸，活塞撞气门造成断裂。
经过初步排查，气门座圈没有脱落，气门与导管间隙符合要求，气门弹簧和锁夹正常，排除了3)，4)，5)原因造成的断裂，因此继续从产品质量和排温方面进行排查。
二、故障件分析
排气门断裂位于气门盘部与杆部的过渡位置，此处是气门的应力集中点，同时也是高温集中点，是气门较容易出现失效的部位;观察气门杆部与摇臂接触面磨损均匀且轻微，未见表面碰伤;气门锁夹槽未见磨损与碰伤，且锁夹槽完好无损;杆部靠近颈部区表面有横向弯曲疲劳纹，气门杆部有轻微的偏磨情况;头部已被撞击破碎变形，是气门断裂后掉入燃烧室导致。进一步对断裂源进行分析，断面上存在较多台阶，从图中箭头所示处开始按逆时针方向观察，台阶越来越高;同时对各个扩展平面大小进行观察，图中箭头所示区的平面最大，逆时针方向各扩展平面越来越小，从而说明气门受到周向疲劳，而且箭头所示区为主裂源区，此断裂属于多源疲劳断裂。同时发现断面及颈部有积碳层，而且有的已剥落，如图6所示，说明气门断裂处受到高温氧化。
三、化学成分分析
如果气门所用材料的化学成分不符合设计要求，将可能加速气门的疲劳断裂。因此，对该气门化学成分进行分析检查。该排气门盘部采用的材料是21－4NWNb，在裂纹源处沿轴向取样，进行化学成分检验。检测结果见表1，符合标准要求。
四、金相分析
观察分析断裂处周围的金相组织是否正常，在主断裂源处纵向取样长约25mm，观察断口处及杆部表面均有不同深度的氧化层，主裂源区氧化层深度与颈部表面氧化层相近，深度为0.033mm，如图7所示，近断口处显微组织奥氏体晶界有熔解，碳化物是重新分布后的粒状珠光体组织，即中温软化组织，说明气门工作温度较高，超过21－4NWNb材料的使用温度700℃。进一步检测取样的硬度，技术要求中杆部的硬度要求是(35～40)HＲC，在取样中采集三个点的硬度，发现硬度低于要求值，高温已经导致气门硬度降低，检测结果见表2。
进一步分析，金相显微组织显示气门工作温度较高，是高温时效过程，奥氏体晶界被熔化，碳化物被球化，碳氧化物重新分布，组织转变成粒状珠光体组织，改变了基体中合金元素M23C6的组成，导致21－4NWNb材料的高温持久性能大大降低，同时高温也加速基体材料氧化腐蚀，在气门颈部易形成疏松、氧化层，加上气门有偏磨，气门工作时在颈部产生很大的应力集中，在气门较薄弱的部位形成裂纹源，加上交变的弯曲应力和过热综合作用产生的多源疲劳，从而大大缩短了气门的使用寿命。
五、受力分析
因为气门断裂也有可能是因为气门所承受的拉伸力高从而加速失效，所以用一台同型号的发动机进行100h试验，拆机后发现排气门颈部直径尺寸由Φ5.5mm降为Φ5.1mm，如图10所示。通过检测，杆颈伸长为0.17mm，低于理论伸长量0.55mm，因此排除了拉伸力太大造成的失效。
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